КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-16-00049
НазваниеМетагеномика в оценке экологических функций почв: анализ почвенной микробиоты связанной с феноменом гигантизма растений черневой тайги Сибири
РуководительЛапидус Алла Львовна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-101 - Лесное хозяйство
Ключевые словаметагеномика, микробиота, биоинформатика, черневая тайга, гигантизм растений, повышение урожайности, биологически активные молекулы
Код ГРНТИ68.00.00
СтатусЗакрыт досрочно
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Черневая тайга Западной Сибири представляет собой уникальный малоизученный тип лесов, характеризующийся высоким травостоем. Часть видов травянистых растений в условиях черневой тайги имеют гигантский рост, тогда как в обычных лесах эти же растения не отличаются высокорослостью.
В ходе выполнения Проекта 2019 было впервые проведено систематическое междисциплинарное исследование совокупности всех факторов, приводящих к феномену высокорослого травостоя в отдельных регионах тайги Западной Сибири. В первые три года работы по данной тематике использовались различные почвенно-биологические, морфологические, молекулярно-генетические и микробиологические методы, наряду с современными биоинформатическими и статистическими подходами анализа метагеномных данных. Также была собрана обширная коллекция образцов почвы и ризосферы некоторых трав в черневой тайге и контрольных почвах в Новосибирской и Томской областях. Для всех собранных образцов были получены данные секвенирования 16S-ITS, что позволило охарактеризовать микробиологическое разнообразие почв изучаемых регионов.
Предлагаемый нами проект является логическим продолжением Проекта 2019 и направлен на дальнейшее, более детальное, решение ключевых проблем. Планируемые перспективные исследования будут направлены на выяснение конкретных механизмов воздействия тех или иных микроорганизмов на гигантизм травостоя и разработки подходов к применению этих знаний в интересах сельского хозяйства. В том числе, посредством создания искусственных микробных сообществ.
Основное внимание в развитии тематики проекта будет направлено на анализ и обобщение полученных результатов и выявлении уникальных характеристик микробиот ризосферы ряда модельных видов диких растений, проявляющих гигантизм в условиях черневой тайги с тем, чтобы детальнее исследовать таксоны бактерий и грибов ответственных за гигантизм. В качестве модельных объектов будут использованы представители трех семейств Asteraceae, Apiaceae и Ranunculaceae, для которых характерен гигантизм в условиях бореальной тайги и нормальный рост за ее пределами. Ранее подобных масштабных исследований ризосферы диких видов растений для поиска новых бактерий и грибов ответственных за их улучшенный рост, не проводилось.
Согласно нашей гипотезе, микробные сообщества черневой почвы обладают крайне высокой активностью разложения растительного материала, что обеспечивает накопление гумусовых веществ. В то же время, ризосферные микроорганизмы выделяют большое количество азотных соединений и гормонов роста, что стимулирует рост и развитие растений. В свою очередь растения – гиганты могут вырабатывать самые разнообразные химические соединения (аттрактанты/репелленты, аллелопатические соединения, фитогормоны и пр.) обеспечивающие формирование и развитие комфортной для развития данного вида ризосферной микрофлоры. Надо отметить, что такая ризосфера может включать в себя как растительные симбионты, так и обеспечивающие гумусоообразование деструкторы растительного опада, и пр. Тем самым, растения, микроорганизмы почвы и ризосферы, дополняют друг друга и создают единую экосистему с исключительно высокой продуктивностью и замкнутым циклом углерода и азота. Высказанная гипотеза пройдет более детальную проверку в исследованиях in situ и лабораторных экспериментах.
Помимо молекулярного анализа ризосферной микрофлоры дикорастущих растений, в наибольшей степени проявивших эффект гигантизма при росте на черневой почве, в лабораторных экспериментах будут исследованы микроорганизмы-целлюлолитики и микробиота ризосферы сельскохозяйственных растений; сформирована коллекция бактерий и грибов, обладающих потенциалом использования в агробиотехнологиях.
Анализ геномов наиболее перспективных изолятов и сравнение их с геномами аналогичных микроорганизмов, выделенных из других объектов, может стать ключом к решению проблемы гигантизма растений. Для этого будут получены полногеномные данные самых значимых представителей культивируемых изолятов.
С целью анализа путей практической реализации потенциала микробиоты почв черневой тайги будут выполнены эксперименты с выделением чистых культур микроорганизмов и их ассоциаций, перспективных для создания микробных препаратов с рост-стимулирующим эффектом и активных целлюлозолитиков. Выполнение данной задачи сопряжено с рядом трудностей, вызванных тем, что микроорганизмы, перспективные для создания микробных препаратов, должны удовлетворять целому ряду требований: 1) они должны быть культивируемы; 2) они, по возможности, должны быть представлены чистыми культурами; 3) в технологическом смысле особенно приветствуются спорообразующие культуры (обеспечивающие большую свободу при производстве, хранении и транспортировке); 4) для них должен существовать способ долговременного хранения, обеспечивающий стабильность.
Очевидно, что перечисленные требования существенно сужают список кандидатов и, вполне возможно, могут привести к тому, что некоторые из реальных “игроков” микробиоты черневой тайги, связанные с высокой продуктивностью, выпадут из числа перспективных кандидатов. Так же из этого числа выпадают представители так называемой «темной материи» - микроорганизмы, которые современная наука не научилась выращивать в лабораторных условиях.
Тем не менее, полученные нами ранее данные свидетельствуют о том, что вероятность того, что и среди представителей часто используемых в качестве микробных препаратов представителей бактериальных (Bacillus, Pseudomonas, Agrobacterium) и грибных (Trichoderma, Penicillium) таксонов, которые можно выделить из почв черневой тайги, найдутся штаммы с превосходными характеристиками, высока.
В случае выделения таких штаммов бактерий, кроме практической значимости возникает и фундаментальная составляющая - сравнение полных геномов штаммов, выделенных из черневой тайги, обладающих полезным потенциалом, с полными геномами их родственников, выделенных из обычных почв и используемых на практике, может способствовать пониманию функциональных основ высокой эффективности штаммов, выделенных из почв черневой тайги.
Одной из актуальнейших задач современной метагеномики является сбор, систематизация и хранение информации о генетическом разнообразии природных экосистем. Примером служат крупнейшие мировые проекты, такие, как Earth microbiome project (http://www.earthmicrobiome.org/) и Terragenome (http://www.terragenome.org/). Однако в базах данных этих проектов практически отсутствует информация о разнообразии микробиот почв России. Выполнение данного проекта позволит внести вклад в решение этой задачи.
Имеющийся у коллектива задел является мощной базой для дальнейшего развития тематики исследований. Запланированные исследования предполагают использование широкого спектра современных и оригинальных методов анализа растительно-микробных систем на молекулярном, клеточном и организменном уровнях, что позволит получить результаты, соответствующие мировому уровню. Выполнение запланированных исследований позволит получить уникальные знания, которые составят фундаментальную основу разработки и применения природоподобных биоудобрений в системе экологически чистого земледелия, а также при проведении ремедиации и восстановлении нарушенных земель.
Проект также отражает наиболее актуальные тенденции мировой науки в области метагеномных исследований почв планеты Земля.
Ожидаемые результаты
Почвы черневой тайги представляют собой уникальный объект исследований, т.к. отличаются чрезвычайно высоким плодородием, реализованным за счет внутренних биотических и абиотических ресурсов, а не за счет агротехнических приемов, и при этом сохранившей незатронутой негативными последствиями многолетней сельскохозяйственной практики микробиоту.
Почвенная микробиота играет определяющую роль в поддержании гомеостаза почвенной экосистемы, выполняя ключевые функции в обеспечении роста и развития растений и активно участвуя в круговороте углерода. В рамках существующего научного представления, почвенное органическое вещество имеет преимущественно микробное происхождение и состоит из индивидуальных химических веществ, объединенных нековалентными связями в гуминовые ансамбли. Понимание механизмов преобразования органического вещества в почве и управление балансом почвенного углерода является приоритетной задачей современных систем земледелия и агротехнологий, поскольку именно органическое вещество ответственно за многочисленные свойства почвы, среди которых функционирование агроэкосистем и продуктивность сельскохозяйственных культур.
В результате исследований целого ряда факторов, проведённых в рамках междисциплинарного проекта 2019, выявлена следующая закономерность, обуславливающая уникальность изучаемого объекта – климатические условия региона черневой тайги создают благоприятную среду обитания для жизни микроорганизмов, которые в свою очередь, в полном объеме обеспечивают растения питательными веществами и природной защитой. Эффект обеспечивается, скорее всего, за счет формирования уникального природного сообщества микроорганизмов, населяющих почву и ризосферы растений, способного продуктивно перерабатывать листовой опад и др материалы, и обладающего ярковыраженными ростостимулирующими свойствами.
Полученные нами ранее подтверждения причастности почвенной микробиоты к высокорослости трав и выявление первых заслуживающих пристального внимания микроорганизмов (бактерий и грибов) позволяют планировать дальнейшие шаги по более детальному изучению механизмов их функционирования и взаимодействия.
В результате исследований на новом этапе проекта будут получены уникальные данные об организации и других особенностях микробиот ризосферы представителей нескольких семейств диких растений уникальных лесов западной Сибири - черневой тайги. Особенностью этих регионов является гигантизм травяных растений, причина которого по сию пору остается неизвестной.
Эти данные позволят впервые описать ключевые таксоны бактерий и грибов, формирующие микробиомы ризосферы изучаемых видов, а также выявить таксоны, которые с большой вероятностью определяют формирование высокого травостоя черневой тайги и потрясающую производительность данной экосистемы в целом. Поиск новых таксонов, определяющих быстрый рост растений, является актуальной задачей для микробиологии, т.к. в перспективе они могут позволить получать новые штаммы микроорганизмов для более высокой продуктивности сельскохозяйственных видов растений без применения большого количества удобрений.
К наиболее значимым результатам планируемого проекта следуют отнести следующее:
- Впервые будет получена приоритетная информация о составе аборигенной микробиоты черневой почвы и ризосферы дикорастущих и сельскохозяйственных растений.
- С помощью современных методов метагеномики будут идентифицированы индикаторные, присутствующие только у растений черневой почвы микроорганизмы
- Будет проведено сравнение последовательностей геномов микроорганизмов, выведенных в чистую культуру, с последовательностями, полученными ранее в результате полногеномной сборки суммарных метагеномных данных.
- Для вычленения ключевых кластеров генов, обеспечивающие функциональную организацию сообщества, по наборам проаннотированных полных геномов будут построены корреляционные сети
- Будет сформирована и охарактеризована по биотехнологическим признакам коллекция бактериальных и грибных штаммов, которые в дальнейшем могут стать основой природоподобного комплекса биоудобрений
- По результатам проведенных исследований будут сформулированы основные принципы создания природоподобных микробных биопрепаратов, направленных на формирование высокопродуктивных агрофитоценозов
- Результаты исследований будут опубликованы в ведущих научных изданиях в области почвенной микробиологии, микологии и биоинформатики.
Основной ожидаемый результат – определение уникальных характеристик почвенной и ризосферной микробиоты дикорастущих и сельскохозяйственных растений, выращенных на черневой почве, которые с высокой степенью вероятности обуславливают гигантизм растений.
Еще один чрезвычайно важный результат исследований, к которому стремится предлагаемый проект, связан с перспективой практической реализации потенциала микробиоты почв черневой тайги, как активных рост-стимулирующих агентов и эффективных целлюлозолитиков. Штаммы-кандидаты на использование в качестве микробных препаратов будут выделены из почвы черневой тайги, их эффективность и перспективы практического использования будут оценены экспериментально. Функциональные основы эффективности выделенных штаммов будут проанализированы в экспериментах по сравнительной геномике, где объектами сравнения станут штаммы, выделенные из почв и ризосфер растений черневой тайги и штаммы тех же видов, используемые на практике в качестве микробных препаратов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ