Метагеномика в оценке экологических функций почв: анализ почвенной микробиоты связанной с феноменом гигантизма растений черневой тайги Сибири

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 проекта 19-16-00049

НазваниеМетагеномика в оценке экологических функций почв: анализ почвенной микробиоты связанной с феноменом гигантизма растений черневой тайги Сибири

Руководитель Лапидус Алла Львовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-101 - Лесное хозяйство

Ключевые слова метагеномика, микробиота, биоинформатика, черневая тайга, гигантизм растений, повышение урожайности, биологически активные молекулы

Код ГРНТИ68.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предметом исследования предлагаемого проекта являются сообщества микроорганизмов, населяющие уникальный тип сибирских лесов – черневую тайгу. Черневые леса представляют собой бореальную лесную формацию, ограниченную в своем распространении гипергумидными секторами Алтае-Саянской горной области. Черневая тайга характеризуется целым рядом экологических особенностей, из которых наиболее важной является феномен гигантизма многолетних травянистых растений, достигающих до 4,5 м. в высоту, и кустарников (Sorbus sibirica, Padus avium, Salix caprea), достигающих в этом регионе 18 метров в высоту и 30 см в диаметре. Травяной покров черневой тайги имеет среднюю высоту 1,5 м, а во многих местах – полностью скрывает, например, всадника на лошади. В черневой тайге практически полностью отсутствует напочвенный моховой покров, а сами почвы показывают исключительно высокий темп разложения растительных остатков и низкое содержание гуминовых кислот. Обильные осадки обуславливают активное вымывание питательных веществ из верхних горизонтов грунта. При этом уровень плодородия почвы очень высок, по имеющимся оценкам – вдвое выше плодородия удобряемых сельскохозяйственных угодий. Эти условия в какой-то степени схожи с условиями дождевого тропического леса. Известно, что основным драйвером почвообразования является группа процессов, связанных с микробиологической трансформацией соединений, содержащих элементы питания. Мобилизация элементов питания во многом зависит от функциональных характеристик и таксономического состава микробиома почв. Однако микробиом почв черневой тайги до сих пор остается практически неисследованным. Из-за этого невозможно построить полноценную модель круговорота вещества и энергии в почвах подобного типа и понять, какие факторы являются ключевыми для ее повышенного плодородия. Данный проект нацелен на выявление и параметризацию главных факторов, обусловливающих отличительные особенности экологических функций почв черневой тайги, таких как аномально повышенное эффективное плодородие и лесорастительные свойства. Научная задача - поиск ответа на вопрос о связи особенностей черневой тайги с химическими показателями почвы, режимом увлажнения, своеобразием состава микробиоты или всех факторов в совокупности. В качестве «рабочей гипотезы» мы полагаем, что аномально высокая продуктивность подобной системы связана со специфическим видовым составом, а также очень высокой скоростью круговорота вещества и энергии, в результате чего биомасса и питательные вещества, создаваемые микрофлорой и микрофауной, потребляются растениями «с колес», не образуя свойственных богатым почвам запасов гумуса и иных питательных веществ. Мы также полагаем, что анализ видового состава и обилия микроорганизмов в ризосфере растений и "фоновой" почве выполненный как классическими микробиологическими и протистологическими методами, так и современными методами метагеномного анализа, вкупе с данными о химических и физических свойствах почвы, позволит оценить вклад микробиоты в продуктивность таких почвенных сообществ и, в конечном итоге, всесторонне описать взаимодействие между этими растениями и микроорганизмами данной экосистемы и определить организмы и процессы, являющиеся ключевыми для возникновения феномена «растительного гигантизма». В рамках проекта впервые будут выполнены комплексные исследования подобных почвенных систем, включая широкомасштабные исследования метагенома почв, изучение видового состава и разнообразия микробиома, агрохимических показателей и других параметров почв. Мы планируем уделить особое внимание изучению метагенома почвы с использованием современных методов высокопродуктивного параллельного секвенирования и биоинформатического анализа полученных данных. Мы планируем провести как натурные исследования и наблюдения, так и лабораторные эксперименты, направленные на изучение физико-химических свойств почв черневой тайги. Предлагаемый проект послужит основой для создания в СПбГУ лаборатории метагеномики почв для проведения масштабных исследований уникальных почв России с применением современных комплексных подходов и методов анализа данных. Результаты таких исследований помимо фундаментального научного значения будут иметь практическое значение в плане поиска микроорганизмов стимулирующих рост растений, организмов – продуцентов антибиотиков, промышленных ферментов, лекарственных препаратов и других биоактивных веществ. Микробиота почв такой удивительной области Сибири как черневая тайга может оказаться уникальным источником таких биологически активных молекул, как антибиотики, витамины, иммуномодуляторы, иммунодепрессанты и другие, а понимание причин гигантизма может быть использовано в целях повышения урожайности сельскохозяйственных культур экологически чистыми методами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Антипов Д., Райко М., Лапидус А., Певзнер П. Plasmid detection and assembly in genomic and metagenomic data sets Genome Research, 2019 Jun; 29(6):961-968. (год публикации - 2019)
10.1101/gr.241299.118

2. Бушман Т.Дж., Акоб Д.М., Боху Т., Бейер А., Войке Т., Шапиро Н., Лапидус А., Кленк Л.П., Кюсель К. Draft Genome Sequence of Mn(II)-Oxidizing Bacterium Oxalobacteraceae sp. Strain AB_14 Microbiology Resource Announcements, 2019, Oct 24; 8 (43). pii: e01024-19 (год публикации - 2019)
10.1128/MRA.01024-19

3. Тагирджанов А., Шлемов А., Гуревич А. NPS: scoring and evaluating the statistical significance of peptidic natural product–spectrum matches Bioinformatics, Volume 35, Issue 14, July 2019, Pages i315–i323 (год публикации - 2019)
10.1093/bioinformatics/btz374

4. Цао L., Гуревич A., Александр KL., Наман CB., Леао T., Глухов E., Луццатто-Кнаан T., Варгас F., Куинн К., Буслимани A., Нотия LF., и др MetaMiner: A Scalable Peptidogenomics Approach for Discovery of Ribosomal Peptide Natural Products with Blind Modifications from Microbial Communities Cell Systems, Oct 10. pii: S2405-4712(19)30312-6 (год публикации - 2019)
10.1016/j.cels.2019.09.004

5. Лапидус А.Л. Биоинформатика микромира 2-й Российский Микробиологический Конгресс. МАТЕРИАЛЫ КОНГРЕССА (год публикации - 2019)

6. Кондратенко Ю.Д., Коробейников А.И., Лапидус А.Л. CDSnake: Snakemake pipeline for retrieval of annotated OTUs from paired-end reads using CD-HIT utilities BMC Bioinformatics, 20(Suppl 17):516 (год публикации - 2019)
10.1186/s12859-019-3122-9

Публикации

1. АБАКУМОВ Е.В., ЛОЙКО С.В., ИСТИГЕЧЕВ Г.И., КУЛЕМЗИНА А.И., ЛАЩИНСКИЙ Н.Н., АНДРОНОВ Е.Е., ЛАПИДУС А.Л. ПОЧВЫ ЧЕРНЕВОЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ — МОРФОЛОГИЯ, АГРОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, МИКРОБИОТА Сельскохозяйственная биология, том 55, номер 5, с. 1018-1039 (год публикации - 2020)
10.15389/agrobiology.2020.5.1018rus

2. Кондратенко Ю., Крорбейников А., Лапидус А. CDSnake: Snakemake pipeline for retrieval of annotated OTUs from paired-end reads using CD-HIT utilities BMC Bioinformatics, 21, 362 (год публикации - 2020)
10.1186/s12859-020-03709-w

3. Абакумов Е., Лойко С., Лащинский Н., Истигечев А., Кулемзина А., Смирнов А., Райко М., Лапидус А. Highly productive boreal ecosystem Chernevaya taiga-unique rainforest in Siberia Preprints, 2020090340 (год публикации - 2020)
10.20944/preprints202009.0340.v1

4. Гуревич А.А., Райко М.П. metaFlye: scalable long-read metagenome assembly using repeat graphs Nature methods, 17, 1103–1110 (год публикации - 2020)
10.1038/s41592-020-00971-x

Публикации

1. Райко М., Сокорнова С., Лапидус А. Fungal metagenome of Сhernevaya taiga soils: Taxonomic composition, differential abundance and factors related to plant gigantism Journal of Fungi, номер 7, том 11, выпуск 908 (год публикации - 2021)
10.3390/jof7110908

2. Поляков В., Лойко С., Истигечев Г., Лапидус А., Абакумов Е. Elemental and Molecular Composition of Humic Acids Isolated from Soils of Tallgrass Temperate Rainforests (Chernevaya taiga) by 1H-13C HECTCOR NMR Spectroscopy Agronomy, 11(10), 1998 (год публикации - 2021)
10.3390/agronomy11101998

3. Абакумов Е., Лойко С., Истигечев Г., Лапидус А. Physical properties as a key factor in the soil functioning in Chernevaya Taiga (Western Siberia) IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Том 862, Выпуск 118 (год публикации - 2021)
10.1088/1755-1315/862/1/012036

4. Гуревич А.А. A Multi-Omics Characterization of the Natural Product Potential of Tropical Filamentous Marine Cyanobacteria Marine Drugs, 19, 1, 20. (год публикации - 2021)
10.3390/md19010020

5. Глотова А. А., Лойко С.В., Истигичев Г.И., Кулемзина А.И., Абакумов Е.В., Лапидус А.Л., Смирнов А.В. Description of Leptomyxa silvatica n. sp. (Amoebozoa, Tubulinea, Leptomyxida), a new soil amoeba species from Chernevaya taiga soil of West Siberia, Russia Protistology (год публикации - 2021)
10.21685/1680-0826-2021-15-4-7

6. КИРЦИДЕЛИ И.Ю., ВЛАСОВ Д.Ю., ИЛЬЮШИН В.А., АБАКУМОВ Е.В. ЛАПИДУС А.Л. МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ГРИБЫ В ПОЧВАХ ЧЕРНЕВОЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ МИКОЛОГИЯ И ФИТОПАТОЛОГИЯ (год публикации - 2022)
10.31857/S0026364822020076

7. Ирина Кравченко, Екатерина Тихонова, Алексей Конопкин, Алла Лапидус Study of soil rhizobacteria from Chernevaya Taiga in Western Siberia and their potential effect on plant growth Nexo Revista Científica (год публикации - 2022)
10.5377/nexo.v35i02.14637