Бактериальные роды, связанные с циклом азота в микробных сообществах черноземов

Обложка


Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Актуальность. Реакции, связанные с геохимическим циклом азота, проходящие в почве, оказывают определяющее влияние на уровень обеспеченности азотом зеленых растений. Микроорганизмы, осуществляющие их катализ, представляют интерес с точки зрения разработки механизмов управления почвенным плодородием. В данной работе мы заострили внимание на бактериальных родах, связанных с процессами азотного цикла в черноземных почвах Белгородской области России.

Цель — определить перечень и количественные соотношения бактериальных родов, представители которых способны участвовать в фиксации атмосферного азота, нитрификации и денитрификации в черноземах лесостепной зоны европейской части России.

Материалы и методы. Пробы пахотных и непахотных черноземов трех подтипов были отобраны в июне и августе 2022 г. В работе применено микробиологическое профилирование на основе высокопроизводительного секвенирования ампликонов вариабельных участков гена 16S рРНК с последующей вычислительной обработкой результатов.

Результаты. Обнаружены 6 родов азотфиксирующих бактерий, а также недифференцируемая в рамках метода группа, включающая род Rhizobium. Обнаружены также 8 родов, участвующих в первой, и 5 родов — во второй стадии нитрификации. Найдены 7 родов, представители которых способны к денитрификации, без учета фиксаторов атмосферного азота, так же способных к осуществлению этого процесса.

Выводы. Среди бактерий, способных к фиксации атмосферного азота в черноземах Белгородской области доминирует род Bradyrhizobium. Среди нитрификаторов, осуществляющих первую стадию нитрификации, преобладают Ellin6067 и MND1 из семейства Nitrosomonadaceae. Вторая стадия нитрификации осуществляется главным образом бактериями рода Nitrospira. Из потенциальных денитрификаторов, наряду с обладающими этой способностью азотфиксирующими родами, многочисленны представители родов Rubrobacter и Pseudomonas. Исследование не претендует на полный перечень организмов, осуществляющих ключевые химические превращения соединений азота в черноземах, однако позволяет назвать их важных участников.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Константин Сергеевич Бояршин

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: ulmus-04@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-2960-0670
SPIN-код: 6002-9327
Scopus Author ID: 57218822292
ResearcherId: HJZ-5162-2023

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Валерия Владиславовна Адамова

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: adamova@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8329-4670

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Веньтао Чжен

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

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

Екатерина Вадимовна Никитинская

Череповецкий государственный университет

Email: nikitinskajacat@yandex.ru
Россия, Череповец

Ольга Юрьевна Обухова

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: 1064261@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0009-0007-5139-0394
Россия, Белгород

Марина Вадимовна Колкова

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

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

Ольга Сергеевна Беспалова

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: olga9078@mail.ru
Россия, Белгород

Виолетта Викторовна Клюева

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

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

Кристина Александровна Дегтярева

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

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

Любовь Викторовна Нестерук

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: nesteruk@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3189-8178

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Юлия Николаевна Куркина

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: kurkina@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9180-1257

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Олеся Александровна Маканина

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Email: makanina@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0009-0006-7571-2493

канд. биол. наук

Россия, Белгород

Елена Сергеевна Иванова

Череповецкий государственный университет

Email: stepinaelena@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6976-1452
Scopus Author ID: 57190344709

канд. биол. наук

Россия, Череповец

Ирина Витальевна Батлуцкая

Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: bat@bsu.edu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0068-6586

д-р биол. наук

Россия, Белгород

Список литературы

  1. Осипов А.И. Биологический круговорот азота атмосферы // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2016. № 42. С. 97–103. EDN: WCIIWH
  2. Косолапова А.В. Учение о биосфере. Часть II. Биогеохимические циклы. Воронеж: ВГПУ, 2007. 48 с.
  3. Тер-Газарян Г.Г. Фиксация атмосферного азота. Тифлис: Издание Госплана ЗСФСР, 1926. 159 с.
  4. Брей С.М. Азотный обмен в растениях. Москва: Агропромиздат, 1986. 199 с.
  5. Колосов А.Е., Жданова О.Б., Мартусевич А.К., Ашихмин С.П. Соединения азота в биомедицинских науках. Москва: Академия естествознания, 2012. 87 с.
  6. Кидин В.В. Агрохимия. Москва: Проспект, 2015. 1033 с.
  7. Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. Москва: ГЕОС, 2007. 138 с.
  8. Alexander M. Denitrifying Bacteria. В кн.: Methods of soil analysis: Part 2 chemical and microbiological properties, 9.2 / A.G. Norman, editor. Madison: American Society of Agronomy, Inc., 2016. P. 1484–1486. doi: 10.2134/agronmonogr9.2.c52
  9. Штарк О.Ю., Борисов А.Ю., Жуков В.А., и др. Многокомпонентный симбиоз бобовых c полезными почвенными микроорганизмами: генетическое и эволюционное обоснование использования в адаптивном растениеводстве // Экологическая генетика. 2011. Т. 9, № 2. С. 80–94. EDN: OFYTUR doi: 10.17816/ecogen9280-94
  10. Авдеенков П.П., Чистяков Н.Е. Механизм денитрификации // Наука, техника и образование. 2019. № 4. С. 19–22. EDN: OUNQAJ
  11. Завалин А.А., Алферов А.А., Чернова Л.С. Ассоциативная азотфиксация и практика применения биопрепаратов в посевах сельскохозяйственных культур // Агрохимия. 2019. № 8. С. 83–96. EDN: ELJRHR doi: 10.1134/S0002188119080143
  12. Subbarao G.V., Rao I.M., Nakahara K., et al. Potential for biological nitrification inhibition to reduce nitrification and N2O emissions in pasture crop-livestock systems // Animal. 2013. Vol. 7, N. S2. P. 322–332. doi: 10.1017/S1751731113000761
  13. Bozal-Leorri A., Corrochano-Monsalve M., Arregui L.M., et al. Biological and synthetic approaches to inhibiting nitrification in non-tilled Mediterranean soils // Chem Biol Technol Agric. 2021. Vol. 8. ID 51. doi: 10.1186/s40538-021-00250-7
  14. McCormic S. Rhizobial strain-dependent restriction of nitrogen fixation in a legume-Rhizobium symbiosis // Plant J. 2018. Vol. 93, N. 1. P. 3–4. doi: 10.1111/tpj.13791
  15. Шеуджен А.Х., Кольцов С.А., Гуторова О.А., и др. Микрофлора чернозема выщелоченного при длительном применении минеральных удобрений // Международный научно-исследовательский журнал. 2008. Т. 56, № 2. C. 89–94. doi: 10.23670/IRJ.2017.56.067
  16. Благовещенская Г.Г., Завалин А.А., Лукин С.М. Микробоценоз азотного цикла в почве при применении новой формы азотного удобрения // Плодородие. 2009. № 1. С. 30. EDN: KYVBRB
  17. Крутило Д.В., Зотов В.С. Генотипический анализ клубеньковых бактерий, нодулирующих сою в почвах Украины // Экологическая генетика. 2013. Т. 11, № 4. С. 86–95. EDN: RXLUSP doi: 10.17816/ecogen11486-95
  18. Семенов М.В. Биомасса и таксономическая структура архей и бактерий в почвах природных и сельскохозяйственных экосистем: дис. … канд. биол. наук. Москва, 2016.
  19. Артамонова В.С., Бортникова С.Б. О состоянии почвенных азотфиксирующих бактерий на территории городского леса // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2016. № 2. С. 150–159. EDN: WEIAVT
  20. Ильинова М.И. Изменение свойств черноземов и солонцов Ставропольской возвышенности при сельскохозяйственном использовании: дис. … канд. биол. наук. Краснодар, 2016.
  21. Панчишкина М.Б. Динамика различных бактериальных популяций в почвах: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Москва, 1987.
  22. Wei W., Isobe K., Nishizawa T., et al. Higher diversity and abundance of denitrifying microorganisms in environments than considered previously // ISME J. 2015. Vol. 9, N. 9. P. 1954–1965. doi: 10.1038/ismej.2015.9
  23. Rosch C., Mergel A., Bothe H. Biodiversity of denitrifying and dinitrogen-fixing bacteria in anacid forest soil // Appl Environ Microbiol. 2002. Vol. 68. P. 3818–3829. doi: 10.1128/AEM.68.8.3818
  24. Shaw L.J., Nicol G.W., Smith Z., et al. Nitrosospira spp. can produce nitrous oxide via a nitrifier denitrification pathway // Environ Microbiol. 2006. Vol. 8, N. 2. P. 214–222. doi: 10.1111/j.1462-2920.2005.00882.x
  25. Boyarshin K.S., Adamova V.V., Zheng W., et al. The effect of long-term agricultural use on the bacterial microbiota of chernozems of the forest-steppe zone // Diversity. 2023. Vol. 15, No. 2. 191. doi: 10.3390/d15020191
  26. 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
  27. Jordan D.C. Transfer of rhizobium Japonicum buchanan 1980 to Bradyrhizobium gen. nov., a genus of slow-growing, root nodule bacteria from leguminous plants // Int J Syst Bacteriol. 1982. Vol. 32, N. 1. P. 136–139. doi: 10.1099/00207713-32-1-136
  28. Frank B. Ueber die pilzsymbiose der leguminosen // Ber Deut Bot Ges. 1889. Vol. 7, N. 8. P. 332–346. doi: 10.1111/j.1438-8677.1889.tb05711.x
  29. Jarvis B.D.W., Van Berkum P., Chen W.X., et al. Transfer of Rhizobium loti, Rhizobium huakuii, Rhizobium ciceri, Rhizobium mediterraneum, and Rhizobium tianshanense to Mesorhizobium gen. nov. // Int J Syst Bacteriol. 1997. Vol. 47, N. 3. P. 895–898. doi: 10.1099/00207713-47-3-895
  30. Mousavi S.A., Österman J., Wahlberg N., et al. Phylogeny of the Rhizobium–Allorhizobium–Agrobacterium clade supports the delineation of Neorhizobium gen. nov. // Syst Appl Microbiol. 2014. Vol. 37, N. 3. P. 208–215. doi: 10.1016/j.syapm.2013.12.007
  31. Beijerinck M.W. Über oligonitrophile Mikroben // Zentralblatt für Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene. 1901. Vol. 7. P. 561–582.
  32. Xie C.-H., Yokota A. Reclassification of Alcaligenes latus strains IAM 12599T and IAM 12664 and Pseudomonas saccharophila as Azohydromonas lata gen. nov., comb. nov., Azohydromonas australica sp. nov. and Pelomonas saccharophila gen. nov., comb. nov., respectively // Int J Syst Evol Microbiol. 2005. Vol. 55, N. 6. P. 2419–2425. doi: 10.1099/ijs.0.63733-0
  33. Hippe H. Leptospirillum gen. nov. (ex Markosyan 1972), nom. rev., including Leptospirillum ferrooxidans sp. nov. (ex Markosyan 1972), nom. rev. and Leptospirillum thermoferrooxidans sp. nov. (Golovacheva et al. 1992) // Int J Syst Evol Microbiol. 2000. Vol. 50, N. 2. P. 501–503. doi: 10.1099/00207713-50-2-501
  34. Prosser J., Head I.M., Stein L.Y. The Family Nitrosomonadaceae. In: The prokaryotes: Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria / E. Rosenberg, E.F. DeLong, S. Lory, et al editors. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin/Heidelberg, 2013. P. 901–918. doi: 10.1007/978-3-642-30197-1_372
  35. Watson S.W., Bock E., Valois F.W., et al. Nitrospira marina gen. nov., sp. nov.: a chemolithotrophic nitrite-oxidizing bacterium // Arch Microbiol. 1986. Vol. 144. P. 1–7. doi: 10.1007/BF00454947
  36. Sly L.I., Stackebrandt E. Description of Skermanella parooensis gen. nov., sp. nov. to accommodate Conglomeromonas largomobilis subsp. parooensis following the transfer of Conglomeromonas largomobilis subsp. largomobilis to the genus Azospirillum // Int J Syst Bacteriol. 1999. Vol. 49, N. 2. P. 541–544. doi: 10.1099/00207713-49-2-541
  37. Stieglmeier M., Klingl A., Alves R.J.E., et al. Nitrososphaera viennensis gen. nov., sp. nov., an aerobic and mesophilic, ammonia-oxidizing archaeon from soil and a member of the archaeal phylum Thaumarchaeota // Int J Syst Evol Microbiol. 2014. Vol. 64, N. 8. P. 2738–2752. doi: 10.1099/ijs.0.063172-0
  38. Wu F., Zhang Y., He D., et al. Community structures of bacteria and archaea associated with the biodeterioration of sandstone sculptures at the Beishiku Temple // Int Biodeterior Biodegr. 2021. Vol. 164. ID 105290. doi: 10.1016/j.ibiod.2021.105290
  39. Holmes A.J., Tujula N.A., Holley M., et al. Phylogenetic structure of unusual aquatic microbial formations in Nullarbor caves, Australia // Environ Microbiol. 2001. Vol. 3, N. 4. P. 256–264. doi: 10.1046/j.1462-2920.2001.00187.x
  40. Sorokin D.Y., Vejmelkova D., Lucker S., et al. Nitrolancea hollandica gen. nov., sp. nov., a chemolithoautotrophic nitrite-oxidizing bacterium isolated from a bioreactor belonging to the phylum Chloroflexi // Int J Syst Evol Microbiol. 2014. Vol. 64, N. 6. P. 1859–1865. doi: 10.1099/ijs.0.062232-0
  41. Winogradsky S. Contributions à la morphologie des organismes de la nitrification // Arkhiv Biologicheskikh Nauk (St. Petersbourg). 1892. No. 1. P. 87–137.
  42. Pranamuda H., Tokiwa Y., Tanaka H. Polylactide degradation by an Amycolatopsis sp. // Appl Environ Microbiol. 1997. Vol. 63, N. 4. P. 1637–1640. doi: 10.1128/AEM.63.4.1637-1640.1997
  43. Horsley R.W., Roscoe J.V., Talling I.B. Nitrate reduction by Pseudomonas spp.: antagonism by fermentative bacteria // J Appl Bacteriol. 1982. Vol. 52, N. 1. P. 57–66. doi: 10.1111/j.1365-2672.1982.tb04373.x
  44. Mantelin S., Desbrosses G., Larcher M., et al. Nitrate-dependent control of root architecture and N nutrition are altered by a plant growth-promoting Phyllobacterium sp. // Planta. 2006. Vol. 223, N. 3. P. 591–603. doi: 10.1007/s00425-005-0106-y
  45. Cho Y., Lee I., Yang Y.Y., et al. Aureimonas glaciistagni sp. nov., isolated from a melt pond on Arctic sea ice // Int J Syst Evol Microbiol. 2015. Vol. 65, N. 10. P. 3564–3569. doi: 10.1099/ijsem.0.000453
  46. Torres M.J., Rubia M.I., de la Peña T.C., et al. Genetic basis for denitrification in Ensifer meliloti // BMC Microbiol. 2014. Vol. 14. ID 142. doi: 10.1186/1471-2180-14-142
  47. Bambauer A., Rainey F.A., Stackebrandt E., Winter J. Characterization of Aquamicrobium defluvii gen. nov. sp. nov., a thiophene-2-carboxylate-metabolizing bacterium from activated sludge // Arch Microbiol. 1998. Vol. 169, N. 4. P. 293–302. doi: 10.1007/s002030050575
  48. Beijerinck M.W., Minkman D.C.J. Bildung und verbrauch von stickoxydul durch bakterien // Zentbl Bakteriol Parasitenkd Infektionskr Hyg Abt. II. 1910. Vol. 25. P. 30–63.
  49. Reed S.C., Townsend A.R., Cleveland C.C., Nemergut D.R. Microbial community shifts influence patterns in tropical forest nitrogen fixation // Oecologia. 2010. Vol. 164. P. 521–531. doi: 10.1007/s00442-010-1649-6
  50. Mirza B.S., Potisap C., Nüsslein K., et al. Response of free-living nitrogen-fixing microorganisms to land use change in the Amazon rainforest // Appl Environ Microbiol. 2014. Vol. 80, N. 1. P. 281–288. doi: 10.1128/AEM.02362-13
  51. Sarkar A., Reinhold-Hurek B. Transcriptional profiling of nitrogen fixation and the role of NifA in the diazotrophic endophyte Azoarcus sp. Strain BH72 // PLoS ONE. 2013. Vol. 9. ID e86527. doi: 10.1371/journal.pone.0086527
  52. Добровольский Г.В., Чернов И.Ю., Бобров А.А., и др. Роль почвы в формировании и сохранении биологического разнообразия. Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2011. 273 с.
  53. Li Y., Zou N., Liang X., et al. Effects of nitrogen input on soil bacterial community structure and soil nitrogen cycling in the rhizosphere soil of Lycium barbarum L. // Front Microbiol. 2023. Vol. 13. ID 1070817. doi: 10.3389/fmicb.2022.1070817
  54. Hayatsu M., Tago K., Saito M. Various players in the nitrogen cycle: Diversity and functions of the microorganisms involved in nitrification and denitrification // Soil Sci Plant Nutrit. 2008. Vol. 54, N. 1. P. 33–45. doi: 10.1111/j.1747-0765.2007.00195.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Точки отбора почвенных проб на территории Белгородской области России

Скачать (143KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Соотношение численности различных экологических групп бактерий — активных участников азотного цикла в черноземах Белгородской области. Роды, принадлежащие к одним и тем же семействам, расположены рядом

Скачать (303KB)
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 - 65617 от 04.05.2016.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах