Доминирующие бактериальные роды микробиоты черноземов лесостепной зоны

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Актуальность. Бактериальное сообщество играет существенную роль в поддержании гомеостаза и плодородия черноземов. Анализ его компонентов позволяет выявить доминирующие таксономические группы и экологические предпочтения составляющих их основу видов.

Цель — выявить бактериальные роды, доминирующие в микробиоте черноземов лесостепной зоны европейской части России, а также проследить влияние на их обилие землепользования, фазы летнего сезона, агрохимических показателей и взаимодействия между собой.

Материалы и методы. На территории Белгородской области дважды в течение лета были отобраны по 10 образцов почв агроценозов и прилегающих к ним необрабатываемых участков с травянистым либо травянисто-кустарниковым растительным покровом. На основе данных метабаркодинга были получены процентные доли родов в бактериальных сообществах. Проведен агрохимический анализ с расчетом коэффициентов корреляции между химическими показателями черноземов и долями бактериальных родов. Проведен анализ корреляционных взаимосвязей родов друг с другом.

Результаты. В число доминирующих родов входят Sphingomonas, Rubrobacter, Gemmatimonas, Bradyrhizobium, Haliangium и др. Доля представителей родов Sphingomonas и Gemmatimonas в почвенных образцах демонстрирует сильную положительную корреляцию с концентрацией нитратного азота, а доля рода Bradyrhizobium — сильную отрицательную корреляцию с концентрацией фосфора. Наибольшее число положительных корреляционных взаимодействий с другими родами выявлено для Nocardioides, Mycobacterium, Streptomyces, Solirubrobacter.

Выводы. Показана стабильность набора бактериальных родов, доминирующих в черноземах лесостепной зоны России в различных экологических условиях (распахиваемые и нераспахиваемые участки), а также во времени (июнь и август). Ряд представителей, относящихся к родам Sphingomonas, Gemmatimonas, Bradyrhizobium и другим бактериям, находятся в сильной зависимости от концентраций компонентов азотных и фосфорных удобрений. В положительные корреляционные взаимодействия между бактериальными родами тесно вовлечены представители актиномицетов и микобактерий, что может указывать на их ключевую роль в микробных сообществах черноземов как активных биодеструкторов листового и корневого опада.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Веньтао Чжен

Белгородский государственный университет

Email: zhengwentaoo@126.com
ORCID iD: 0009-0003-3460-8401
Россия, Белгород

Константин Сергеевич Бояршин

Белгородский государственный университет

Email: ulmus-04@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2960-0670
SPIN-код: 6002-9327

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Валерия Владиславовна Адамова

Белгородский государственный университет

Email: adamova@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8329-4670
SPIN-код: 8985-6005

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Екатерина Вадимовна Никитинская

Череповецкий государственный университет

Email: nikitinskajacat@yandex.ru
Россия, Череповец

Ольга Юрьевна Обухова

Белгородский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: 1064261@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0009-0007-5139-0394
SPIN-код: 9138-2276
Россия, Белгород

Марина Вадимовна Колкова

Белгородский государственный университет

Email: mvk3105@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-3849-3564
Россия, Белгород

Ольга Сергеевна Беспалова

Белгородский государственный университет

Email: olga9078@mail.ru
Россия, Белгород

Виолетта Викторовна Клюева

Белгородский государственный университет

Email: klyueva@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0002-9509-5115
SPIN-код: 8265-0423
Россия, Белгород

Кристина Александровна Дегтярёва

Белгородский государственный университет

Email: degtyareva@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4474-0919
SPIN-код: 6439-6568
Россия, Белгород

Любовь Викторовна Нестерук

Белгородский государственный университет

Email: nesteruk@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3189-8178
SPIN-код: 3616-4039

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Юлия Николаевна Куркина

Белгородский государственный университет

Email: kurkina@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9180-1257
SPIN-код: 5292-6973

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Олеся Александровна Маканина

Белгородский государственный университет

Email: makanina@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0009-0006-7571-2493
SPIN-код: 9678-8458

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Елена Сергеевна Иванова

Череповецкий государственный университет

Email: stepinaelena@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6976-1452
SPIN-код: 5997-3738

канд. биол. наук

Россия, Череповец

Ирина Витальевна Батлуцкая

Белгородский государственный университет

Email: bat@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0068-6586
SPIN-код: 2555-6176

д-р биол. наук

Россия, Белгород

Список литературы

  1. Докучаев В.В. Русский чернозем. Санкт-Петербург: Типография Деклерона и Евдокимова, 1883. 376 с.
  2. Liu X., Burras C.L., Kravchenko Y.S., et al. Overview of Mollisols in the world: Distribution, land use and management // Can J Soil Sci. 2012. Vol. 92, N 3. P. 383–402. doi: 10.4141/cjss2010-058
  3. Безуглова О.С., Шерстнев А.К., Золотарев А.Л., и др. Почвенно-экологический мониторинг черноземов обыкновенных Северного Приазовья // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2008. № 5. С. 83–89. EDN: JVLKSF
  4. Гребенщиков В.П., Гребенщикова Н.В. Региональные особенности черноземов Приднестровья // Приоритетные научные направления: от теории к практике. 2016. № 23. С. 14–19. EDN: TLQIQN
  5. Щеглов Д.И. Черноземы центральных областей России: современное состояние и направление эволюции // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2003. № 2. С. 187–195. EDN: OIXYFZ
  6. Сычева Е.В., Девятова Т.А., Турусов В.И., Гармашов В.М. Агрохимические показатели чернозема обыкновенного в условиях адаптивно-ландшафтной технологии // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2013. № 2. С. 149–155. EDN: RELHAZ
  7. Raczka N.C., Piñeiro J., Tfaily M.M., et al. Interactions between microbial diversity and substrate chemistry determine the fate of carbon in soil // Sci Rep. 2021. Vol. 11. ID 19320. doi: 10.1038/s41598-021-97942-9
  8. Abs E., Leman H., Ferrière R. A multi-scale eco-evolutionary model of cooperation reveals how microbial adaptation influences soil decomposition // Commun Biol. 2020. Vol. 3. ID 520. doi: 10.1038/s42003-020-01198-4
  9. de Boer W., Folman L.B., Summerbell R.C., Boddy L. Living in a fungal world: impact of fungi on soil bacterial niche development // FEMS Microbiol Rev. 2005. Vol. 29, N 4. P. 795–811. doi: 10.1016/j.femsre.2004.11.005
  10. Semenov M.V., Nikitin D., Stepanov A.L., Semenov V.M. The structure of bacterial and fungal communities in the rhizosphere and root-free loci of gray forest soil // Eur Soil Sci. 2019. Vol. 52. P. 319–332. doi: 10.1134/S1064229319010137
  11. Шеуджен А.Х., Кольцов С.А., Гуторова О.А., и др. Микрофлора чернозема выщелоченного при длительном применении минеральных удобрений // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 2–2. С. 89–94. EDN: XVLBFX doi: 10.23670/IRJ.2017.56.067
  12. Goldfarb K.C., Karaoz U., Hanson C.A., et al. Differential growth responses of soil bacterial taxa to carbon substrates of varying chemical recalcitrance // Front Microbiol. 2011. Vol. 2. ID 94. doi: 10.3389/fmicb.2011.00094
  13. Oates L.G., Read H.W., Gutknecht J.L.M., et al. A lipid extraction and analysis method for characterizing soil microbes in experiments with many samples // J Vis Exp. 2017. Vol. 16, N 125. ID 55310. doi: 10.3791/55310
  14. Park C., Kim S.B., Choi S.H., Kim S. Comparison of 16S rRNA gene based microbial profiling using five next-generation sequencers and various primers // Front Microbiol. 2021. Vol. 12. ID 715500. doi: 10.3389/fmicb.2021.715500
  15. Abraham B.S., Caglayan D., Carrillo N.V., et al. Shotgun metagenomic analysis of microbial communities from the Loxahatchee nature preserve in the Florida Everglades // Environ Microbiome. 2020. Vol. 15, N 1. ID 2. doi: 10.1186/s40793-019-0352-4
  16. Tanabe M., Kanehisa M. Using the KEGG database resource // Curr Protoc Bioinformatics. 2012. ID 43. doi: 10.1002/0471250953.bi0112s38
  17. Fujiyoshi S., Muto-Fujita A., Maruyama F. Evaluation of PCR conditions for characterizing bacterial communities with full-length 16S rRNA genes using a portable nanopore sequencer // Sci Rep. 2020. Vol. 10. ID 12580. doi: 10.1038/s41598-020-69450-9
  18. Pershina E.V., Ivanova E.A., Korvigo I.O., et al. Investigation of the core microbiome in main soil types from the East European plain // Sci Total Environ. 2018. Vol. 631–632. P. 1421–1430. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.136
  19. Иванова Е.А., Кутовая О.В., Тхакахова А.К., и др. Структура микробного сообщества агрегатов чернозема типичного в условиях контрастных вариантов сельскохозяйственного использования // Почвоведение. 2015. № 11. С. 1367–1382. EDN: UIMGXZ doi: 10.7868/S0032180X15110088
  20. Semenov M.V., Chernov T.I., Tkhakakhova A.K., et al. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century // Appl Soil Ecol. 2018. Vol. 127. P. 8–18. doi: 10.1016/j.apsoil.2018.03.002
  21. Nielsen M.N., Winding A. Microorganisms as indicators of soil health. NERI Technical report No. 388. Copenhagen: Grønager’s Grafisk Produktion AS, 2001. 85 p.
  22. Kim H., Park Y.-H., Yang J.E., et al. Analysis of major bacteria and diversity of surface soil to discover biomarkers related to soil health // Toxics. 2022. Vol. 10, N 3. ID 117. doi: 10.3390/toxics10030117
  23. Schloter M., Nannipieri P., Sørensen S.J., van Elsas J.D. Microbial indicators for soil quality // Biol Fertil Soils. 2018. Vol. 54. P. 1–10. doi: 10.1007/s00374-017-1248-3
  24. Willms I.M., Rudolph A.Y., Göschel I., et al. Globally abundant “Candidatus Udaeobacter” benefits from release of antibiotics in soil and potentially performs trace gas scavenging // mSphere. 2020. Vol. 5, N 4. ID 00186-20. doi: 10.1128/msphere.00186-20
  25. Tang J., Su L., Fang Y., et al. Moderate nitrogen reduction increases nitrogen use efficiency and positively affects microbial communities in agricultural soils // Agriculture. 2023. Vol. 13, N 4. ID 796. doi: 10.3390/agriculture13040796
  26. Boyarshin K.S., Adamova V.V., Zheng W., et al. Dominant bacterial taxa in chernozems and factors affecting their abundance in the bacterial community // Eurasian Soil Science. 2024. Vol. 57, N. 6. P. 1007–1017. doi: 10.1134/S106422932460026X
  27. Boyarshin K.S., Adamova V.V., Wentao Z., Obuhova O.Y. The effect of long-term agricultural use on the bacterial microbiota of chernozems of the forest-steppe zone // Diversity. 2023. Vol. 15, N 2. ID 191. doi: 10.3390/d15020191
  28. IUSS Working Group WRB. World reference base for soil resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. 4th edit. Vienna: International Union of Soil Sciences (IUSS), 2022. 236 p.
  29. Державин Л.М., Самохвалов С.Г., Соколова Н.В., и др. Почвы. Определение pH солевой вытяжки, обменной кислотности, обменных катионов, содержания нитратов, обменного аммония и подвижной серы методами ЦИНАО. ГОСТ 26483–85 – ГОСТ 26490–85 / Государственные стандарты Союза ССР. Москва: Государственный комитет СССР по стандартам, Издательство стандартов, 1985. 6 с.
  30. Почвы. Методы определения органического вещества. ГОСТ 26213–2021 / под ред. Нахимовой Л.И. Москва: Российский институт стандартизации, 2021. 8 с.
  31. Державин Л.М., Самохвалов С.Г., Соколова Н.В., и др. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО. ГОСТ 26204–91. Государственный стандарт Союза ССР. Москва: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1991. 5 с.
  32. Державин Л.М., Самохвалов С.Г., Соколова Н.В., и др. Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом. ГОСТ 26951–86. Государственный стандарт Союза ССР. Москва: Государственный комитет СССР по стандартам, Издательство стандартов, 1986. 10 с.
  33. Spearman C. The proof and measurement of association between two things // Am J Psychol. 1904. Vol. 15, N 1. P. 72–101. doi: 10.2307/1412159
  34. Kruskal W.H., Wallis W.A. Use of ranks in one-criterion variance analysis // J Am Stat Assoc. 1952. Vol. 47, N 260. P. 583–621. doi: 10.2307/2280779
  35. Бояршин К.С., Адамова В.В., Чжен В., и др. Бактериальные роды, связанные с циклом азота в микробных сообществах черноземов // Экологическая генетика. 2024. Т. 22, № 2. С. 191–204. EDN: EPIFNU doi: 10.17816/ecogen603873
  36. Зотов В.С., Пунина Н.В., Хапчаева С.А., и др. Новый таксономический маркер клубеньковых бактерий рода Rhizobium и его эволюция // Экологическая генетика. 2012. Т. 10, № 2. С. 50–63. EDN: PFFISD doi: 10.17816/ecogen10250-63
  37. Крутило Д.В., Зотов В.С. Генотипический анализ клубеньковых бактерий, нодулирующих сою в почвах Украины // Экологическая генетика. 2013. Т. 11, № 4. С. 86–95.
  38. Енкина О.В., Коробской Н.Ф. Микробиологические аспекты сохранения плодородия черноземов Кубани. Краснодар: Агропромполиграфиздат, 1999. 150 с.
  39. Проценко Е.П., Караулова Л.Н., Проценко А.А., и др. Сравнительная характеристика микробиоты черноземов в заповедных и антропогенно преобразованных сообществах // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Т. 13, № 1–5. С. 1215–1218. EDN: OORZOP
  40. Gorbacheva M.A., Melnikova N.V., Chechetkin V.R., et al. DNA sequencing and metagenomics of cultivated and uncultivated chernozems in Russia // Geoderma Reg. 2018. Vol. 14. ID e00180. doi: 10.1016/j.geodrs.2018.e00180
  41. Мельничук Т.Н., Еговцева А.Ю., Абдурашитов С.Ф., и др. Ассоциативные бактерии к Triticum aestivum L. черноземов южного и обыкновенного // Таврический вестник аграрной науки. 2018. № 4. С. 88–101. EDN: YPPSGT doi: 10.25637/TVAN2018.04.09
  42. Mehmood M.A., Fu Y., Zhao H., et al. Enrichment of bacteria involved in the nitrogen cycle and plant growth promotion in soil by sclerotia of rice sheath blight fungus // Stress Biol. 2022. Vol. 2. ID 32. doi: 10.1007/s44154-022-00049-y
  43. Erikson D. Differentiation of the vegetative and sporogenous phases of the actinomycetes // J Gen Microbiol. 1947. Vol. 1, N. 1. P. 45–54. doi: 10.1099/00221287-1-1-45
  44. da Cruz Silva G., Kitano I.T., de Figueiredo Ribeiro I.A., Lacava P.T. The potential use of actinomycetes as microbial inoculants and biopesticides in agriculture // Front Soil Sci. 2022. Vol. 2. ID 833181. doi: 10.3389/fsoil.2022.833181
  45. Ma Y., Wang J., Liu Y., et al. Nocardioides: “Specialists” for hard-to-degrade pollutants in the environment // Molecules. 2023. Vol. 28, N 21. ID 7433. doi: 10.3390/molecules28217433

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Zheng_suppl_01
Скачать (1MB)
Метаданные
3. Zheng_suppl_02
Скачать (1MB)
Метаданные
4. Zheng_suppl_03
Скачать (1MB)
Метаданные
5. Zheng_suppl_04
Скачать (1MB)
Метаданные
6. Zheng_suppl_05
Скачать (81KB)
Метаданные
7. Рис. 1. Места отбора почвенных образцов на территории Белгородской области России. Пятиугольники соответствуют обыкновенным черноземам, ромбы — выщелоченным, треугольники — типичным. Звездочкой отмечен типичный чернозем на границе заповедного участка

Скачать (79KB)
Метаданные
8. Рис. 2. Влияние месяца сбора образцов и сельскохозяйственной обработки на доли родов в почвенном бактериальном сообществе. Цвета отражают кратность отклонения от среднего значения для данного рода. Статистически достоверные превышения в зависимости от месяца (И — июнь, А — август) и сельскохозяйственной обработки (П — пахотные площади, Н. п. — непахотные) помечены буквенными обозначениями. Численные данные приведены в приложении 3 (doi: 10.17816/ecogen634581-4229675)

Скачать (229KB)
Метаданные
9. Рис. 3. Теплокарта значений коэффициента корреляции процентных долей 30 наиболее многочисленных бактериальных родов в сообществах черноземов с химическими параметрами почвы, а также друг с другом. Влажность обозначена как ωH2O, массовая доля органического вещества как ωорг. Данные о статистической достоверности полученных значений приведены в приложениях 4 и 5 (doi: 10.17816/ecogen634581-4229676, doi: 10.17816/ecogen634581-4229677)

Скачать (443KB)
Метаданные
10. Рис. 4. Схема корреляций между долями бактериальных родов в микробиоме черноземов. Показаны статистически достоверные корреляции с модулем коэффициента Спирмена больше 0,5. Положительным значениям соответствуют цвета стрелок в оттенках красного и розового, отрицательным — в оттенках голубого. Розовым и светло-голубым обозначены корреляции, объясняемые из общих корреляций долей родов с химическими параметрами почв (рис. 3, приложение 4), красным и синим — не объясняемые ими. Размер буквенных символов пропорционален доле (обилию) соответствующего бактериального рода

Скачать (181KB)
Метаданные
11. Рис. 5. Схема корреляций между долями бактериальных родов в микробиоте черноземов. Показаны статистически достоверные корреляции, не объясняемые из общих достоверных корреляций долей родов с химическими параметрами почв. Положительным значениям соответствуют цвета стрелок в оттенках красного и розового, отрицательным — в оттенках голубого. Розовым и голубым обозначены корреляции, возможно объясняемые общими статистически недостоверными тенденциями к корреляции с химическими параметрами (рис. 3, приложение 4), красным и синим — не объясняемые ими. Обозначения родов приведены на рис. 4

Скачать (252KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 89324 от 21.04.2025.