doi: 10.15389/agrobiology.2025.1.96rus
УДК 579.64:631.461.61:631.879.42
Исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» ФГБНУ ВНИИСХМ. Работы были проведены за счет финансовой поддержки гранта РНФ 23-16-00147.
МЕТАГЕНОМНЫЙ АНАЛИЗ ПРО- И ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ
КОМПОНЕНТОВ МИКРОБИОТЫ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО
ПРЕПАРАТА БАГС
Т.О. ЛИСИНА✉, А.О. ЗВЕРЕВ, Г.В. ГЛАДКОВ, А.К. КИМЕКЛИС,
О.В. ОРЛОВА, А.А. КИЧКО, Е.Е. АНДРОНОВ
В подавляющем большинстве микробные препараты создаются на основе чистых культур микроорганизмов. Использование подобных препаратов вполне оправдано и результативно в случае азотфиксации в симбиозе ризобий с бобовыми или биоконтрольных свойств бацилл. Однако если речь идет о почвенных процессах, обусловливающих круговорот биогенных элементов, в частности о трансформации растительных остатков, микробные препараты на основе чистых культур оказываются недостаточно эффективными и стабильными, причем даже тогда, когда используются сконструированные консорциумы из смеси нескольких видов микроорганизмов. Связано это с тем, что микробиологические процессы в почве осуществляются не отдельными видами, а микробными сообществами со сложной сетевой организацией. Поэтому более перспективной альтернативой является мобилизация нативных целлюлозоразлагающих сообществ в виде микробных препаратов. Именно таков микробный препарат БАГС (биологически активный грунт на соломе), создание предшественника которого началось во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной микробиологии в 1930-е годы. В настоящей работе с помощью метагеномных методов анализа впервые получены данные о таксономическом составе прокариотического и эукариотического сообществ двух последовательно приготовленных партий препарата БАГС (препарат из первой партии выступал в качестве инокулюма). Кроме того, сопоставление микробного состава зрелого БАГС, основных компонентов, используемых при его приготовлении (торф, солома), и почвы как источника гуматразлагающих бактерий позволило сделать предположение о происхождении мажорных прокариотических компонентов микробиоты препарата. Цель работы — с использованием метагеномного анализа исследовать таксономический состав консорциума двух партий микробного препарата БАГС и компонентов, используемых при его приготовлении. Объектами исследования были микробный препарат БАГС — готовый зрелый препарат, полученный в результате компостирования торфо-соломисто-минеральной смеси и инокулюма в течение 11 мес (последний из серии многолетних периодических возобновлений в течение не менее 20 лет); инокулюм — зрелый препарат БАГС предыдущего приготовления (15 мес компостирования); торф — произвесткованный верховой сфагновый торф (пос. Форносово, Ленинградская обл., степень разложенности 15 %); солома — сухая измельченная солома овса; почва — дерново-подзолистая, легкосуглинистая (пос. Белогорка, Ленинградская обл.). Для приготовления БАГС в произвесткованный доломитовой мукой до рН 6,4 торф вносили солому овса (10 % от массы торфа), азофоску (10 г д.в. по азоту/кг соломы) и инокулюм (20 % от массы торфа). Смесь увлажняли до 60 % от полной влагоемкости, перемешивали, расфасовывали в пластиковые емкости объемом 90 л и инкубировали в течение 11 мес при 28 °С, периодически увлажняя и перемешивая. Микробиологический анализ, включая бактериальный и грибной компоненты, проводили с использованием метода глубокого секвенирования ампликонных библиотек гена 16S рРНК (прокариоты) и ITS (грибы). Данные анализировали при помощи пакета dada2, основные анализы (альфа- и бета-разнообразие, барграфы и теплокарты) выполняли при помощи пакета phyloseq и tidyverse в программной среде R. Анализ PERMANOVA проводили с использованием пакета vegan. По данным анализа таксономического состава БАГС, основные компоненты бактериальных сообществ обеих партий препарата БАГС, один из которых выступал в качестве инокулюма, относились к представителям фил Pseudomonadota (27-32 %), Planctomycetota (11-14 %) и Bacteroidota (10-11 %), а основными компонентами грибного сообщества были представители классов Sordariomycetes, Mucoromycetes и Leotiomycetes. Показано, что к концу срока компостирования бактериальная часть сообщества БАГС более стабильна, чем грибная, и очень близка к составу инокулюма, тогда как эукариотическая мажорная компонента больше подвержена влиянию микробиома торфа. При этом за годы воспроизводства БАГС сформировался его собственный уникальный микробиом. Около 12 % от всех таксонов в БАГС оказались уникальными и присущими только ему, а на долю микробной массы уникальных таксонов в сообществе препарата приходилось 93 % от общего их числа.
Ключевые слова: препарат БАГС, инокулюм, микробное сообщество, прокариоты, эукариоты, таксономический состав.
T.O. Lisina✉, A.O. Zverev, G.V. Gladkov, A.K. Kimeklis,
O.V. Orlova, A.A. Kichko, E.E. Andronov
The vast majority of microbial preparations are based on pure cultures of microorganisms. The use of such preparations is quite reasonable and effective for such functions as nitrogen fixation in symbiosis of rhizobia with legumes or biocontrol properties of bacilli. However, when it comes to soil processes that determine the cycle of biogenic elements, in particular the transformation of plant residues, the microbial preparations based on pure cultures are not stable and sufficiently effective, even when consortia containing a mixture of several microbial species are used. This is due to the fact that microbiological processes in soil are carried out not by individual species, but by microbial communities with complex network organization. Therefore, a more effective alternative is the mobilization of native cellulose-degrading communities in the form of microbial preparations. This is exactly the case with the microbial preparation BAGS (biologically active substrate on straw), the development of the precursor of which began at the All-Russian Research Institute of Agricultural Microbiology in the 1930s. In the present work the metagenomic data on the taxonomic composition of prokaryotic and eukaryotic communities of two consecutive batches of BAGS preparation, one of which acted as an inoculum, are presented for the first time. In addition, comparison of the microbial composition of mature BAGS, the major components used in its preparation (peat, straw) and soil as a source of humate-degrading bacteria made it possible to suggest the origin of major prokaryotic components of the microbiota of the preparation. The aim of the work was to use a metagenomic approach to study the taxonomic composition of the microbial consortium in two batches of BAGS and components for its production. We used ready mature BAGS microbial preparation obtained by composting peat-silage-mineral mixture with inoculum for 11 months which was the last of a series of perennial periodic renewals for at least 20 years, and mature BAGS from the previous 15-month composting that served as inoculum. Lme-softened sphagnum peat (village of Fornosovo, Leningrad Province) was 15 % decomposed, dry oat straw was shredded; soil was sod-podzolic light loamy (Belogorka settlement, Leningrad Province). For BAGS preparation, the peat was added with dolomite meal to pH 6.4, oat straw (10 % of peat weight), Azophoska (10 g of nitrogen/kg of straw) and inoculum (20 % of peat weight). The mixture was moistened to 60 % of full moisture capacity, mixed, packed into plastic 90 l containers and incubated for 11 months at 28 °С, periodically moistening and mixing. Microbiological analysis, including bacterial and fungal components, was performed by deep sequencing of the 16S rRNA gene (prokaryotes) and ITS (fungi) amplicon libraries. Data were analyzed using the dada2 package, and basic analyses (alpha and beta diversity, bar graphs and heatmaps) were performed using the phyloseq package and tidyverse in the R software environment. PERMANOVA analysis was performed using the vegan package. According to the analysis of the taxonomic composition of BAGS, the main components of bacterial communities of both batches of BAGS preparation, one of which acted as an inoculum, belonged to representatives of phyla Pseudomonadota (27-32 %), Planctomycetota (11-14 %) and Bacteroidota (10-11 %), and the main components of fungal communities were representatives of classes Sordariomycetes, Mucoromycetes and Leotiomycetes. By the end of the composting period, the bacterial part of the BAGS community appeared to be more stable than the fungal one and very close to the composition of the inoculum, while the eukaryotic communities were influenced by the peat microbiome. Meanwhile, years of BAGS reproduction have shaped its own unique microbiome. Approximately 12 % of all taxa in BAGS were unique and specific to it, and the microbial mass of unique taxa in the preparation community accounted for 93 % of their total number.
Keywords: BAGS preparation, inoculum, microbial community, prokaryotes, eukaryotes.
ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной |
Поступила в редакцию Принята к публикации |
