В ходе проекта были выполнены все поставленные задачи, большинство из которых решались впервые. Так, впервые проведены детальные исследования особенностей почв черневых лесов и смежных контрольных регионов, проведен мониторинг влажности почв и определение их влагоемкости, проведено количественное описание гигантизма трав и первые исследования протистов. Впервые проведен филогенетический анализ почвенной микробиоты и характера ее изменения в зависимости от глубины и сезона и микробиоты ризосфер ряда высокорослых растений.
Целью проекта являлось изучение микробиоты уникального региона Западной Сибири и ее участия в феномене высокорослости трав в регионах черневой тайги. При этом очевидно, что высокорослость трав лесной экосистемы не может объясняться одним единственным фактором. На особенности региона влияют климатические условия, характер почвы, режим увлажнения, специфическая флора и ее распространение в регионе, своеобразие состава микробиоты. В черневой тайге практически полностью отсутствует напочвенный моховой покров, а сами почвы показывают исключительно высокий темп разложения растительных остатков и низкое содержание гуминовых кислот.
Интерпретация данных агрохимического анализа позволила установить, что почвы черневой тайги, отличаются от европейских аналогов из нечерневых лесов развитостью гумусового профиля и повышенным содержанием элементов питания, что способствует формированию особого трофического статуса с выраженным феноменом гигантизма. Также почвы черневой тайги являются более влагоемкими по всем показателям гидрологических констант, что неизбежно сказывается на их плодородии и потенциальной продуктивности, а также на составе микробиоты. Несмотря на то, что мощность подстилок в почвах черневой тайги меньше, чем в почвах олиготрофных лесов, они могут удерживать большее количество влаги, что важно для формирования почвенного климата.
По результатам промеров всех исследованных видов высокорослых трав разница средней максимальной высоты генеративных побегов между двумя местообитаниями оказалась статистически значимой по критерию Стьюдента и составила от 28,5 до 78,5 см. Поскольку в анализ были включены представители трех различных семейств, различия между местообитаниями нельзя трактовать как специфическую реакцию отдельного вида или систематической группы.
Для выяснения причин быстрого исчезновения опада в черневой тайге был проведен ряд лабораторных экспериментов с разложением различных целлюлозосодержащих субстратов и определением таксономического состава микробных сообществ почвы в ходе разложения.
Лабораторный анализ грибных и прокариотных сообществ, развившихся в процессе разложения целлюлозосодержащих субстратов, позволил зафиксировать субстрат-специфичность данных сообществ, продемонстрировать несколько большую дифференциацию грибных сообществ по сравнению с бактериальными, выявить специфику распределения таксонов в различных субстратах. Для понимания того, как именно выявленная картина объясняет высокую эффективность разложения растительных остатков в почвах черневой тайги, или как можно использовать полученные данные на практике, нужно двигаться в направлении выделения в чистую культуру, целлюлозолитических организмов, но не просто отдельных микроорганизмов, а их ассоциаций (искусственных микробиот), исследования их целлюлозолитического потенциала и перспектив их использования для создания микробных препаратов.
Наиболее перспективными направлениями реализации потенциала микробиоты почв черневой тайги в интересах сельского хозяйства следует считать выделение из ризосферы растений, инокулированных суспензиями почвы черневой тайги (в стерильном вегетационном опыте) штаммов-микроорганизмов в чистые культуры. С использованием полученного списка микроорганизмов-кандидатов на роль рост стимулирующих агентов, а также данных о нуклеотидных последовательностях их генов 16S рРНК следует провести эксперименты, в которых из множества выделенных штаммов отобрать фракцию потенциальных рост стимуляторов и проанализировать их реальные эффекты.
По результатам анализа таксономического состава грибного метагенома почвенных проб в разные сезоны и в разных точках отбора показано, что наиболее распространенными таксонами являются типы Mortierellomycota, Basidiomycota и Ascomycota. Предполагается, что представители Ascomycota преимущественно участвуют на ранних стадиях разложения листового опада, а затем вытесняются представителями Basidiomycota. Самый многочисленный класс грибов в образцах черневой тайги представлен Mortierellomycetes - сапротрофами, обнаруживаемыми в почве, на гниющих листьях и другом органическом материале. Среди наиболее многочисленных таксонов обнаружены представители филума Glomeromycota - арбускулярных микоризных (АМ) симбиотрофов, которые, как было ранее показано, способны увеличивать количество питательных веществ, доступность воды, обеспечивать гормональная регуляцию и индуцированную микоризой устойчивость растений-хозяев.
Мы считаем, что в уникальных условиях бореальных лесов избыток питательных веществ приводит к гигантскому росту одних растений и нормальному развитию других из-за доступности питательных веществ. Кроме того, нами показано, что колонизация AM-грибов может приводить к увеличению продукции вторичных метаболитов, что, вероятно, косвенно происходит за счет увеличения поглощения питательных веществ. Таким образом, арбускулярную микоризу можно рассматривать как усилитель доступности питательных веществ для растений-хозяев. Из этого можно сделать вывод, что традиционные методы внесения удобрений, основанные на добавлении питательных веществ, могут быть оптимизированы с точки зрения их воздействия на микоризные грибы, тем самым увеличивая богатство и разнообразие грибных сообществ и через них влияя на продуктивность почвы.
В рамках проекта были также выявлены новые, ранее не описанные виды простейших. Особый интерес может представлять Thecamoebidae gen.sp - новый род в рамках семейства Thecamoebidae. Также были обнаружены новые виды Flamella sp. 1 и Leptomyxa sp в рамках соответствующих родов, достоверно отличающиеся от ранее описанных видов по морфологическим и молекулярно-филогенетическим данным. К очень интересным результатам относится обнаружение амебы рода Thecochaos - крайне редкого рода амеб, последний раз изолированного более 100 лет назад. Подобные находки редких видов говорят о достаточно высоком уровне микробного богатства изучаемых почв.
Современные методы анализа генетической и геномной информации в настоящее время оперируют огромными массивами данных, обработка которых напрямую зависит от программного обеспечения. В связи с этим в рамках проекта решаются в том числе и задачи создания новых и усовершенствования уже существующих биоинформатических подходов и программ, направленных на всесторонний анализ микробиот (микроорганизмов, составляющих то или иное микробное сообщество) и их микробиомов (совокупного генома рассматриваемого сообщества). Все созданные программы выпущены в открытый доступ и опубликованы.
Анализ полногеномных сборок метагеномных данных, проведенный с использованием новых программ, продемонстрировал большое число биосинтетических генных кластеров, ответственных за синтез соединений различных химических классов. Сравнительный анализ количества обнаруженных кластеров показал, что в образцах почвы черневой тайги их в 2 раза больше, чем в образцах переходной почвы и в 6 раз больше, чем в контроле. Кратное различие позволяет выдвинуть гипотезу, что часть из производимых этими кластерами соединений может быть непосредственно связана с феноменом гигантизма в черневой тайге.
Применительно к настоящему проекту принцип Анны Карениной может быть сформулирован так: во многих сложных системах лучший способ взглянуть на причины того или иного эффекта - это смотреть на множество необходимых условий, которые должны быть выполнены, а не искать одну единственную прямую причину.
В результате исследований целого ряда факторов нами выявлена следующая закономерность – климатические условия создают благоприятную среду обитания для жизни микроорганизмов, которые в свою очередь, хорошо обеспечивают растения питательными веществами и природной защитой. Эффект скорее всего обеспечивается за счет представленности характерных для почв микроорганизмов с выраженными свойствами стимуляции роста растений и в первую очередь в ризосфере изученных нами растений.
Полученные подтверждения причастности почвенной микробиоты к высокорослости трав и выявление заслуживающих пристального внимания микроорганизмов (бактерий и грибов) позволяют планировать дальнейшие шаги по более детальному изучению механизмов их функционирования и взаимодействия.
Главный результат проекта - впервые проведено комплексное междисциплинарное исследования уникального региона России, эквивалента которому в мире нет. Проведены всестороннее описание и анализ свойств почвы, в которой произрастают высокорослые травы черневой тайги - почвы региона, которые никогда не изучались в контексте феномена травяного гигантиза. При этом почвы черневой тайги – уникальный феномен с точки зрения продуктивности, морфологии и свойств. Установлено, что они формируются в условиях своеобразной комбинации факторов педогенеза – биоклиматических и геогенных. Так же впервые проведен анализ микробиоты почв черневой тайги, включая бактериальный, архейный, грибной и протозойный компоненты с точки зрения выяснения причин их уникальной продуктивности и оценки перспектив практического использования их микробного потенциала в сельском хозяйстве. Целый ряд полученных результатов указывает на то, что именно микробиота черневой тайги обуславливает ее уникальную продуктивность по сравнению с действием физико-химических и агрохимических факторов. Полученный обобщенный метагеномный портрет почв черневой тайги и смежных экосистем является стартовой точкой для детального исследования отдельных его составляющих. По результатам лабораторных вегетационных экспериментов проведена оцененка перспективы мобилизации потенциала микробиоты почв черневой тайги в интересах сельского хозяйства, включая как стимуляцию роста растений, так и интенсификацию процессов разложения растительных остатков. Эти перспективные исследования необходимо продолжать, т.к. выяснения конкретных механизмов воздействия тех или иных микроорганизмов на гигантизм травостоя очевидно должен быть использован в интересах сельского хозяйства в результате создания искусственных микробных сообществ.
Собранная за все время гранта коллекция образцов почв и ризосферы растений насчитывает 450 образцов из Новосибирской локации и 425 из Томской. разных точках, в разных профилях, в повторностях не менее десяти на точку. Для всех проб были получены данные сиквена 16S, 18S, ITS последовательностей метагеномной ДНК для проведения филогенетического анализа.
Почвы черневой тайги – уникальный феномен с точки зрения продуктивности, морфологии и свойств. Установлено, что они формируются в условиях своеобразной комбинации факторов педогенеза – биоклиматических и геогенных. В ходе выполнения проекта выявлено, что высокое содержание гумуса и тяжелый гранулометрический состав почв черневой тайги обуславливают их повышенную влагоемкость (по все типам почвенно-гидрологических констант), по сравнению с почвами олиготрофных местообитаний. Это в свою очередь является одной из причин повышенной продуктивности экосистем.
Так как статистически достоверные промеры высокотравья никогда ранее не проводились, а оценивались преимущественно словами «гигант» или как «травы, скрывающие всадника на коне», было решено исправить этот промах и провести количественную оценку высокотравья. Для всех исследованных видов разница среднемаксимальной высоты генеративных побегов между двумя местообитаниями оказалась статистически значимой по критерию Стьюдента и составила от 28,5 до 78,5 см. Поскольку в анализ были включены представители трех различных семейств, различия между местообитаниями нельзя трактовать как специфическую реакцию отдельного вида или систематической группы. Полученные результаты в совокупности с другими данными дают основание считать, что разница в высоте генеративных побегов объясняется различиями в экологических условиях местообитаний.
Лабораторные исследования почв черневой тайги проводились в нескольких направлениях – исследования агрохимических особенностей почв, исследования продуктивности почв на нескольких сельскохозяйственных культурах, исследования потенциала почв при разложении целлюлозосодержащих субстратов, исследования почвенного микробиома в связи с продуктивностью при выращивании растений и при разложении целлюлозосодержащих субстратов, выделение в культуру отдельных бактериальных изолятов. Основной идеей исследований было понимание вклада микробного компонента в феномен высокой продуктивности черневой тайги.
По результатам анализа агрохимических показателей было показано, что в почве черневой тайги по сравнению с обычной лесной почвой более благоприятная величина рНсол, больше обменных оснований, выше содержание общего углерода (на 30%) и общего азота (в 2,7 раза), подвижного фосфора (в 3,2 раза). По продуктивности почва черневой тайги показала статистически досто-верное превосходство как над обычной лесной почвой того же региона, так и над черноземом.
Для анализа таксономической структуры микробиоты трех почв (черневая тайга, зональная почва и чернозем) из всех почв была выделена ДНК в 6-ти повторностях, приготовлены ампликонные библиотеки по гену 16S рРНК и выполнено их высокопроизводительное секвенирование.
Анализ взвешенного бета-разнообразия показал, что существуют четкие различия между тремя почвенными микробиотами, что свидетельствует о том, что различия в доминантных таксонах состоят в различной их представленности, а основные различия, связанные с наличием специфичных таксонов, приурочены к среднепредставленным и минорным компонентам.
Также был проведен целый ряд исследований по разложению различных субстратов (листовой опад, солома) в почвах черневой тайги различного происхождения (Томск, Новосибирск), выделены специфические целлюлозолитические ассоциации из разложившегося субстрата на жидкой среде Гетчинсона и проведен анализ таксономической и функциональной структуры почвенной микробиоты в процессе разложения различных субстратов и целлюлозолитических ассоциаций, выделенных в культуру. По результатам анализа таксономической структуры микробных сообществ было выявлено более 4000 ASV, таксономически относящихся к 3 археотным и 20 бактериальным филам. При этом основной массив во всех сообществах составляли неклассифицируемые последовательности.
В ходе проекта показано, что в ризосфере растений на черневой почве значительно возрастает доля представителей Bacilli, Verrucomicrobia, alpha-Proteobacteria, Actinobacteria, что подтверждается выделением в культуру бактериальных изолятов с высокой фитостимулирующей активностью, относящихся к рр. Paenibacillus, Streptomyces, Azospirillum, Pseudomonas, Methylobacterium. В то же время, значительную часть в составе ризосферной микробиоты занимают нитрифицирующие археи Nitrosospaera и Cand. Nitrosocosmius, которые ранее не обнаруживались в ризосфере. Впервые обнаружены также некультивируемые бактерии Cand. Saccharimonadia (Patescibacteria), которые предположительно являются симбионтами, и веррукомикробии Candidatus Udaeobacter. Влияние последних на рост растений неизвестно и может стать предметом молекулярного анализа их метаболизма (фитостимулирующего потенциала). Таким образом, состав ризосферной микрофлоры растений черневой почвы (диких, выращенных в лабораторных условиях) существенно отличается от такового у растений фоновой зональной почвы, что, вероятно, обуславливает их экстремальный рост (гигантизм).
Проведены также молекулярные исследования микробиоты ризосфер различных растений (редис, салат, пшеница). Показано, что в черневой почве значительно возрастает доля представителей Bacilli, Verrucomicrobia, alpha-Proteobacteria, Actinobacteria. Выделены бактериальные изоляты с высокой фитостимулирующей активностью, относящиеся к рр. Paenibacillus, Streptomyces, Azospirillum, Pseudomonas,Methylobacterium. Показано заметное присутвстие в микробиоте ризосферы нитрифицирующих архей Nitrosospaera и Cand. Nitrosocosmius, которые ранее не обнаруживались в ризосфере. Впервые обнаружены некультивируемые бактерии Cand. Saccharimonadia (Patescibacteria), которые возможно являются симбионтами, и веррукомикробии Candidatus Udaeobacter. Обнаружено, что четыре бактериальные культуры (рр. Azospirillum, Methylobacterium, Paenibacillus, Streptomyces) и две грибные (Penicillium и Trichoderma) увеличивали ростовые параметры и биомассу проростков пшеницы.
В результате микологического анализа образцов почв (bulk soils) черни и контролей методом посева на питательные среды показано, что численность и биомасса микроскопических грибов в почвах черневой тайги существенно выше, чем в аналогичных референсных почвах олиготрофных сосняков.Несмотря на невысокую численность, видовой состав культивируемых грибов оказался весьма разнообразным. Из исследованных проб в чистую культуру было выделено более 100 изолятов мицелиальных и дрожжевых грибов, которые были отнесены к 39 видам из 24 родов.
Всего из почв черневой тайги выявлено 29 видов, из почв референсных сосняков 18 видов микромицетов. Только в почвах черневой тайги отмечены виды Cephalotrichum microsporum, C. nanum, Cordyceps farinosa, Penicillium dierckxii, P. purpurescens, Trichoderma viride. Виды рода Trichoderma, в частности, известны как стимуляторы роста растений, способные ограничивать распространение патогенных микроорганизмов и грибов.
За отчетный период из проб почвы, собранных в двух локациях черневой тайги и контрольных областей, из верхнего слоя, как наиболее богатого микроорганизмами, выделялась ДНК и для полногенмного секвенирования совокупного генома микробиот (метагенома) технологиями Oxford Nanopore (ONT) и Illumina. Суммарно за время проекта произведено 21 121 980 205 нуклеотидов ОNT технологии и 1552 гигабаз Illumina данных, составивших в сумме более 100 терабайт (ТБ) данных. При этом, для идентификации ВСЕХ геномов почвенной микробиоты данных требуется значительно больше!
В рамках проекта разработан и реализован ряд новых биоинформатических инструментов для поиска биологически активных природных соединений (БАС) и синтезирующих их биосинтетических генных кластеров (БГК): NPS (Tagirdzhanov et al, 2019), MetaMiner (Cao et al, 2019), CycloNovo (Behsaz et al, 2020). Созданы скрипты для обработка и анализа результатов предсказаний геномных кластеров (ГК) в (мета)геномных данных: https://github.com/alexeigurevich/rsf-19-16-00049_bgc_analysis. Члены научного коллектива приняли участие в разработке метагеномного сборщика по ONT данным metaFlye (Kolmogorov et al, 2020). Большая часть из разработанного инструментария была применена для обработки данных, полученных в рамках проекта (метагеномные сборки Черневой Тайги, переходной и контрольной почвы). Показано, что более 80% предсказанных ГК в образцах Черневой Тайги относятся к синтезирующим молекулы четырех классов: нерибосомные пептиды, поликетиды, терпены, рибосомные пептиды с пост-трансляционными модификациями (RiPP). При этом общее число обнаруженных ГК в Черневой Тайге в два раза превышает число ГК в переходной почве и в шесть раз в контроле.
В результате исследований протозойного компонента почв черневой тайги показали, что изученные образцы почвы содержат большое количество новых и редких видов голых лобозных амеб, однако в целом обилие и видовое разнообразие протистов в них не является выдающимся. На морфологическом уровне было идентифицировано 15 видов голых амеб. В ход исследований в почвах черневой тайги обнаружили ряд крайне редких или новых для науки видов амеб. Подавляющая часть выделенных изолятов оказались новыми для науки видами. Это наглядно показывает, что общее разнообразие протистов в почвах (в особенности – амебоидных протистов) остается еще крайне слабо изученным. Из наиболее интересных находок отметим первую за более чем 100 лет реизоляцию вида Thecochaos fibrillosum – очень крупной, своеобразной и примечательной по внешнему виду лобозной амебы. Это – первый многоядерный представитель класса Discosea, ранее известный только из местообитаний в Швейцарии и Франции.
Информация о публикациях в СМИ, посвященных результатам проекта, с упоминанием Фонда РНФ:
1 Российский научный фонд (https://rscf.ru/news/agriculture/uchyenye-vyyasnyat-prichiny-gigantizma-rasteniy-v-sibirskikh-dzhunglyakh/)
2. Научная Россия - электронное периодическое издание (https://scientificrussia.ru/articles/issledovateli-vyyasnyat-prichiny-gigantizma-rastenij-v-sibirskih-dzhunglyah?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.com%2Fnews%2Fsearch%3Ftext%3D)
3. Взгляд - деловая газета
https://vz.ru/news/2021/4/7/1093402.html?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.com%2Fnews%2Fsearch%3Ftext%3D
4. ПОИСК
https://poisknews.ru/themes/biologiya/sibirskie-dzhungli-uchyonye-vyyasnyat-prichiny-gigantizma-rastenij/
5. Год науки и технологий 2021
https://xn--80afdrjqf7b.xn--p1ai/news/640/
6. Большая Азия
https://bigasia.ru/content/news/science_and_education/uchyenye-rf-ishchut-prichiny-poyavleniya-gigantskikh-rasteniy-v-sibirskoy-tayge/
7. Рамблер
https://news.rambler.ru/science/46171689-rossiyskie-uchenye-reshili-raskryt-taynu-chernevoy-taygi/
WEB страницы проекта:
http://cab.spbu.ru/grant/rsf-19-16-00049/
https://github.com/alexeigurevich/rsf-19-16-00049_bgc_analysis
Сведения о достигнутых научных результатах по этапу проекта:
В результате полевых выездов летом 2021 году в черневую тайгу впервые описан растительный гигантизм трав. Впервые получены количественные характеристики различий в высоте генеративных побегов между сообществами черневой тайги и травяными лесами подтайги. Показано, что эти различия существенны, статистически достоверны и не связаны с систематическим положением сравниваемых видов. В начале августа к моменту максимального развития генеративных побегов был организован полевой выезд в окрестности г. Новосибирска для измерения высот модельных видов растений Aconitum septentrionale, Crepis sibirica, Heracleum dissectum, Bupleurum aureum и Cirsium helenioides. Для всех исследованных в Новосибирском регионе видов разница среднемаксимальной высоты генеративных побегов между двумя местообитаниями оказалась статистически значимой и составила от 28,5 до 78,5 см. Поскольку в анализ были включены представители трех различных семейств, различия между местообитаниями нельзя трактовать как специфическую реакцию отдельного вида или систематической группы. Скорее всего, разница в высоте генеративных побегов объясняется различиями в экологических условиях местообитаний
При определении почвенно-гидрологических констант для почв черневой тайги и для почв олиготрофных местообитаний были выявлены существенные различия между исследуемыми объектами. Прежде всего, они определены гранулометрическим составом и содержанием гумуса в мелкоземе. Величины полной влагоемкости органогенных горизонтов почв черневой тайги составляли до 95 %, в то время как в почвах олиготрофных местообитаний полная влагоемкость составляла всего 60 %. В результате проведенных исследований органического вещества почв черневой тайги и смежных экосистем более низкой трофности методом количественного анализа молекулярно-массового распределения (ММР) установлено, что в гуминовых кислотах (ГК)
почв черневой тайги содержится больше аромтаических фрагментов, которые формируют основу молекул ГК. Показано, что в почвах черневой тайги накапливаются низкомолекулярные ароматические компоненты, в то время, как, в почвах со сниженной микробиологической активностью и наличием труднотрансформируемой хвойной подстилки наблюдается накопление высокомолекулярной разветвленной алифатической фракции в составе ГК. Поскольку гуминовые вещества обладают биопротекторной и физиологической активностью, они могут быть причиной повышенной продуктивности черневой тайги. Показано, что хотя мощность подстилок в почвах черневой тайги меньше, чем в почвах олиготрофных лесов, они могут удерживать большее количество влаги, что важно для формирования почвенного климата.
Данные экспериментов с инокуляцией почв с использованием дерново-подзолистой почвы и анализом микробиоты почвы черневой тайги в ризосфере инокулированных растений
показали влияние инокуляции компонентов микробиоты почвы черневой тайги на микробиоту ризосферы инокулированных растений. В результате таксономического анализа в 48 проанализированных библиотеках было выявлено около 20 тыс. сиквенс-вариантов (ASV), относящихся к 24 прокариотическим филам. Доминантами, как это характерно для микробных сообществ почвы, были представители Proteobacteria, Firmicutes, Verrucomicrobiota, Bacteroidota, Actinobacteriota, Acidobacteriota и неклассифицируемых вариантов. Во всех образцах были выявлены представители архей. При этом две трети выявленных таксонов относятся к неклассифицируемым даже на уровне филы прокариотам. Чтобы понять, какие функции выявленных дифференциально представленных сиквенс-вариантов могут обуславливать стимуляцию роста растений, для 9 представителей составленного «топ-листа» был проведен анализ соответствующих публикаций в базе PubMed. Было выявлено несколько заслуживающих внимания результатов: 1) Lysinibacillus – по участию бактерий этого вида в стимуляции роста растений существует обширная литература, которая касается как собственно стимуляции в обычных и стрессовых условиях, так и участия этого вида бактерий в защите растений от грибных фитопатогенов, а также в условиях повышенных концентраций цинка и кадмия; 2) Chitinophagaceae – довольно большое семейство почвенных микроорганизмов, среди которых, по литературным данным, встречаются и рост стимулирующие микроорганизмы, и микроорганизмы, подавляющие грибные патогены растений; 3) в семействе Sphingobacteriaceae выявлены микроорганизмы с большим потенциалом синтеза биоактивных компонентов, а также супрессии грибных патогенов.
Для понимания роли грибного компонента микробных сообществ в процессах разложения целлюлозосодержащих субстратов для образцов, изучаемых в рамках проекта был проведен ряд исследований. Так лабораторное исследование микроскопических грибов почв черневой тайги показал, что численность, биомасса и видовой состав почвенных микроскопических грибов зависит от трофности почвы. Выявлены практически все ожидаемые виды культивируемых грибов, обитающие в темно-серых почвах черневой тайги. Видовой состав микроскопических грибов, обнаруженных в почвах черневой тайги, заметно отличается от комплексов микромицетов референсных почв олиготрофных сосняков. Показано, что большая часть изолятов, выделенных из почв Сибирской тайги, принимает участие в утилизации листового опада.
Метагеномный анализ таксономического состава почвенных проб в разные сезоны и в разных точках отбора показал, что наиболее распространенными таксонами являются типы Mortierellomycota, Basidiomycota и Ascomycota. Предполагается, что представители Ascomycota преимущественно участвуют на ранних стадиях разложения листового опада, а затем вытесняются представителями Basidiomycota, особенно базидиомицетовыми дрожжами. В целом аналогичная тенденция наблюдалась как для бореальной, так и для небореальной тайги. В то же время самый многочисленный класс грибов в образцах Черневой тайги представлен Mortierellomycetes - сапротрофами, обнаруживаемыми в почве на гниющих листьях и другом органическом материале. Всего несколько видов составляют почти половину генетического материала грибов в почвах образцов. Виды Mortierella могут служить очень ценными разложителями, увеличивая эффективность поглощения питательных веществ, используя источники углерода (включая полимеры, такие как целлюлоза или хитин) и способствуя росту растений. Среди наиболее дифференциально многочисленных таксонов мы также обнаружили представителей филума Glomeromycota - арбускулярных микоризных (АМ) симбиотрофов. Ранее было показано, что они способны увеличивать количество питательных веществ, доступность воды, обеспечивать гормональную регуляцию и индуцированную микоризой устойчивость растений-хозяев. АМ грибы могут создавать гифы, которые соединяют корни многих растений. Эти сети позволяют перераспределять питательные вещества между растениями, в результате чего одни растения растут лучше, а другие - хуже. Мы считаем, что в уникальных условиях бореальных лесов избыток питательных веществ приводит к гигантскому росту одних растений и нормальному развитию других из-за доступности питательных веществ. Кроме того, было показано, что колонизация AM-грибов может приводить к увеличению продукции вторичных метаболитов, что, вероятно, косвенно происходит за счет увеличения поглощения питательных веществ. Новые таксоны Glomeromycota, обнаруженные в нашем исследовании, подтвердили наблюдаемое высокое разнообразие AM в богатых травами хвойных лесах. Кроме того, нами было обнаружено несколько новых родов Glomeromycota, которые на данный момент трудно таксономически описать с точностью, поскольку они не культивируются в лабораторных условиях. Таким образом, говоря о потенциальном применении наших результатов в сельском хозяйстве, мы можем рассматривать арбускулярную микоризу (AM ) как усилитель доступности питательных веществ для растений-хозяев. Из этого можно сделать вывод, что традиционные методы внесения удобрений (farmer fertilization practices - FFP), основанные на добавлении питательных веществ, могут быть оптимизированы с точки зрения их воздействия на микоризные грибы, тем самым увеличивая богатство и разнообразие грибных сообществ и через них влияя на продуктивность почвы.
Следующим шагом в наших исследованиях мы считаем выделение из ризосферы растений, инокулированных суспензиями почвы черневой тайги (в стерильном вегетационном опыте) штаммов-микроорганизмов в чистые культуры. С использованием полученного списка микроорганизмов-кандидатов на роль рост стимулирующих агентов, а также данных о нуклеотидных последовательностях их генов 16S рРНК следует провести эксперимент, в котором из множества выделенных штаммов необходимо будет отделить фракцию потенциальных рост стимуляторов и в отдельном эксперименте проанализировать их реальные эффекты. Для реализациии потенциала микробных сообществ почв черневой тайги в качестве агентов разложения целлюлозосодержащих растительных остатков нужно двигаться в направлении выделения в чистую культуру целлюлозолитических организмов, но скорее всего, не отдельных микроорганизмов, а их ассоциаций, исследования их целлюлозолитического потенциала и перспектив их использования для создания микробных препаратов.
В рамках проекта помимо идентифицикации наиболее часто встречающиеся видов голых лобозных амеб, получены морфологические и молекулярные данные для описания 3 новых для науки видов (2-х видов, принадлежащих к описанным родам, и 1 нового рода).
С помощью технологий секвенирования второго и третьего поколений получены и проанализированы полногеномные данные почвенных микробиот изучаемых локаций. Самые протяженные фрагменты в полученных нами сборках соизмеримы с длинами бактериальных геномов– результат недостижимый при использовании только технологий второго поколения (454, Illumina). Определена таксономическая принадлежность МАG (Metagenome Assembled Genome) в самых протяженных контигах. Один их них - unclassified Pseudomonas (taxid 2583993) – был восстановлен только благодаря использованию секвенирования третьего поколения. В случае продолжения начатых нами исследований мы, предполагаем проводить метагеномный сиквенс преимущественно технологией ONT, а улучшать качество собранных контигов будем дополнительным полишингом ридами Illuminа, что сделает гибридные сборки дешевле.
Полногеномные метагеномные сборки были также использованы для оценки разнообразия биосинтетических генных кластеров биологически активных молекул в исследуемых почвах.
С использованием инструмента antiSMASH 5.2.0 были выявлены вероятные биосинтетические генные кластера (БГК) биологически активных молекул в метагеномных сборках исследуемых локаций. Было показано, что использование двух библиотек секвенирования (illumina+ONT), особенно для образцов из Черневой Тайги, существенно улучшает сборку с точки зрения количества найденных БГК (в 2-10 раз в зависимости от класса БГК). Более 80% предсказанных БГК в образцах Черневой Тайги относятся к синтезирующим молекулы четырех классов: нерибосомные пептиды, поликетиды, терпены, рибосомные пептиды с пост-трансляционными модификациями (RiPP). Сопоставление обнаруженных БГК с базами известных кластеров биологически активных молекул различных классов MIBiG и известных нерибосомных пептидов не выявило значимых совпадений. Для широкомасштабного сопоставления обнаруженных БГК с крупнейшей публичной базой известных белков NCBI nr был разработан специализированный набор скриптов. Сопоставление показало, что только 15% из открытых БГК представлены в NCBI nr, а остальные являются вероятно новыми и требуют дальнейшего изучения.
ФИО, должность, краткое описание вклада в работу.
Абакумов Евгений Васильевич - WoS ResearcherID-B-5291-2013; Scopus AuthorID -8660197600. Доктор биологических наук. Профессор, Санкт-Петербургский государственный университет, зав кафедрой.
Вклад в работу:
обеспечение организации полевых исследований почв различных по трофности биотопов Западной Сибири (Томск), отбор проб почв, морфолоигческое описание почвенных разрезов и состояния доминирующих видов растений. Проведение анализа иерархической организации почвенной массы начиная с уровня полипедона, продолжая уровнем горизонтов и агрегатов, заканчивая микроскопическим уровнем. Проведение общего химического анализа почв общепринятыми и современными инструментальными методами. Выявление уровней природного плодородия почв различных типов природных биотопов в пределах объектов исследования. Агрохимический и физический анализ индивидуальных пробы почв. Написание отчета и статей.
Кулемзина Анастасия Игоревна - WoS ResearcherID-N-8554-2015. Scopus AuthorID - 26428260700. Кандидат биологических наук. Научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКБ СО РАН, Новосибирская обл).
Вклад в работу:
организация и проведение полевых работ, сбор почвенного материала в различных районах тайги (Новосибирск), морфолоигческое описание почвенных разрезов и состояния доминирующих видов растений, систематизацию проб почвы. Проводить выделение метагеномной ДНК, подготовку ее для дальнейшего секвенирования, метагеномное секвенирование на Miseq (Illumina). Написание отчета и статей
Райко Михаил Петрович - WoS ResearcherID - J-1696-2015. Scopus AuthorID - 1090757. Кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный университет.
Вклад в работу:
анализ качества данных NGS, сборка геномов, аннотация выявленных таксономических групп микробов, статистический анализ и интерпретация данных, полученных для всех образцов почвенной микробиоты. Изучение альфа- и бета разнообразия микробиоты почв. Написание отчета и статей
Проект «Метагеномика в оценке экологических функций почв: анализ почвенной микробиоты связанной с феноменом гигантизма растений черневой тайги Сибири» посвящен исследованию сообществ микроорганизмов, населяющих уникальный тип сибирских лесов – черневую тайгу. Научной задачей проекта является поиск ответа на вопрос о связи особенностей черневой тайги с химическими показателями почвы, режимом увлажнения, своеобразием состава микробиоты и/или всех факторов в совокупности с точки зрения возможного применения полученных знаний для повышения плодородия почв.
Для решения столь сложной задачи научный коллектив проекта объединяет специалистов с обширными знаниями в области почвоведения и экологии, геоботаники и лесной экологии, микробиологии и протистологии, молекулярной биологии и биоинформатики.
Современные методы анализа генетической и геномной информации в настоящее время оперируют огромными массивами данных, обработка которых напрямую зависит от программного обеспечения. В связи с этим в рамках проекта решаются в том числе задачи создания новых и усовершенствования уже существующих биоинформатических подходов и программ, направленных на всесторонний анализ особенностей сложных природных микробных сообществ.
| Short title | Микробиота черневой тайги |
|---|
| Acronym | RSF_RG_2019 - 3 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 11/01/21 → 31/12/21 |
|---|
