doi: 10.15389/agrobiology.2018.5.994rus
УДК 633.14:631.58:631.461:577.2
Работа выполнена в рамках государственных заданий № 0664-2018-0023 и № 0664-2017-0050.
ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВА ПРОКАРИОТ
ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ ПОД ОЗИМОЙ РОЖЬЮ
НЕ ЗАВИСИТ ОТ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ
В.А. ФИЛИППОВА, Ю.В. КРУГЛОВ, Е.Е. АНДРОНОВ
Микробные сообщества почв — это сложные многокомпонентные системы, формирующиеся под влиянием широкого круга факторов, в том числе типа почвы, вида растения, климата, агротехники. До сих пор ведется дискуссия о специфическом характере действия различных растений на микробиом почвы, что важно для понимания механизма взаимодействия микроорганизмов и растений, построения оптимальных севооборотов, а также организации мероприятий по защите сельскохозяйственных культур от фитопатогенных микроорганизмов и вредителей. Озимая рожь — одна из немногих сельскохозяйственных культур, которая может выращиваться бессменно на протяжении десятилетий. Она имеет мощную корневую систему, которая по биомассе сопоставима с наземной частью растения. В настоящей работе представлены результаты анализа филотипической структуры и разнообразия прокариотических микроорганизмов в посевах ржи, выращиваемой в бессменной культуре и шестипольном севообороте на протяжении почти 100 лет. Нашей целью было выявление влияния различных агротехник (севооборот и известкование) на филогенетическую структуру прокариотических микроорганизмов в посевах ржи в условиях длительного полевого опыта. Отбор образцов проводили в 2010 году в южной части Клинско-Дмитровской возвышенности на участке многолетнего опыта РГАУ—МСХА им. К.А. Тимирязева. Для филогенетического анализа комплекса прокариотических микроорганизмов в почве использовали делянки, засеянные озимой рожью (Secale cereale L.), которая выращивалась в бессменной культуре и шестипольном севообороте с 1912 года. Севооборот включал чистый пар, озимую рожь, картофель, ячмень с подсевом клевера, клевер первого года пользования, лен. Почвенные пробы отбирали в фазу колошения озимой ржи на глубину пахотного горизонта А1 (0-20 см) в пяти повторностях, из которых составляли средний образец. После тщательного перемешивания его использовали для выделения ДНК. Результаты высокопроизводительного секвенирования ДНК почвенного микробиома и последующего анализа филогенетической структуры и разнообразия прокариотических микроорганизмов в почве показали, что растение служит одним из ключевых факторов формирования прокариотического сообщества. Независимо от агротехнических приемов, под покровом озимой ржи в фазу колошения складывался одинаковый по структуре коровый комплекс прокариот, включающий небольшое количество видов протеобактерий и актинобактерий. Доминирующее положение среди них занимали бактерии семейства Rhizobiaceae, что в определенной степени было связано с историей опытного поля. По-видимому, бактерии этого семейства, прежде всего клубеньковые, находят в ризосфере ржи благоприятные условия для развития. Не исключено, что между ними формируется своеобразный ассоциативный симбиоз, который наблюдали некоторые авторы с другими зерновыми колосовыми культурами. В связи с этим несомненный интерес представляют исследования жизнеспособности Rhizobiaceae в посевах озимой ржи и эволюции ризобактерий в сторону ассоциативных эндосимбиотических взаимоотношений с рожью в процессе длительного сосуществования. Известкование практически не влияет на видовое богатство в посевах бессменной ржи, но резко снижает его в севообороте.
Ключевые слова: филогенетическая структура, биоразнообразие прокариот, Rhizobium sp., Proteobacteria, дерново-подзолистая почва, озимая рожь.
V.A. Filippova, Yu.V. Kruglov, E.E. Andronov
Soil microbial communities are complex multicomponent systems that form under the influence of a wide range of factors, among them — soil type, plant species, climate, agricultural technology — in general, determining the physical and chemical characteristics of the environment. The plant, according to many researchers, is the main factor determining the structure of the soil microbial community, due to the extensive number of compounds released into the soil. There is still a discussion about the specific nature of the action of various plants on soil microbiome, which is very important both for understanding the mechanism of interaction of microorganisms and plants, and for building optimal crop rotations, as well as organizing measures to protect agricultural crops from phytopathogenic microorganisms and pests. Winter rye is one of the few crops that can grow continuously for decades. It has a powerful root system, comparable to the biomass of the above-ground part of plants. The root excretions of winter rye reach 21 % of the synthesized plant mass. This paper presents the results of research aimed at studying the phylotypical structure and diversity of prokaryotic microorganisms in rye crops grown in permanent culture and six-field crop rotation for almost 100 years, in the long-term multifactorial field experiment of the Moscow Timiryazev Agricultural Academy. The aim of our work was to study the influence of various agricultural technicians such as crop rotation and liming, under the conditions of a long field experiment on the phylogenetic structure of prokaryotic micro-organisms in rye crops. The results of the high-throughput DNA sequencing of the soil microbiome and the subsequent analysis of the phylogenetic structure and diversity of the prokaryotic microorganisms of the sod-podzolic soil under the conditions of perennial rye culture showed that the plant is one of the key factors in the formation of the prokaryotic community. Regardless of the agrotechnical methods under the cover of winter rye, the same core structure of prokaryotes, including a small number of types of proteobacteria and actinobacteria, develops in the earing phase. The dominant position among them is occupied by the bacteria of the Rhizobiaceae family, which in this case is to some extent related to the history of the experimental field. Apparently, the bacteria of this family and, above all, the nodule bacteria, find favorable conditions for their development in the rye rhizosphere. It is possible that a kind of associative symbiosis is formed between them, which was observed by some authors with other cereal crops. In this connection, studies of the viability of Rhizobiaceae in winter rye crops, and their evolution to associative endosymbiotic relationships with rye in the course of a long coexistence are of undoubted interest. The effect of liming on the genetic structure of the prokaryote community of acidic soils may be different. At the same time, apparently, the specific type of plants, as well as the history of the field (crop rotation, permanent culture, fertilizer system, etc.) are of significant importance.
Keywords: phylogenetic structure, biodiversity of prokaryotes, Rhizobium sp., Proteobacteria, sod-podzolic soil, winter rye.
ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной |
Поступила в редакцию |
