Особенности функционирования микробного сообщества и ферментативной активности почв при воздействии глиотоксина почвенных грибов

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 23-24-00648

НазваниеОсобенности функционирования микробного сообщества и ферментативной активности почв при воздействии глиотоксина почвенных грибов

Руководитель Тесля Анастасия Валерьевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" , Тюменская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-108 - Почвоведение

Ключевые слова Биологический контроль, агент биоконтроля, глиотоксин, почвы, микробные сообщества, таксономическое микробное разнообразие, микробная биомасса, дыхательная активность, микробный метаболический коэффициент, остаточные количества глиотоксина, адаптация микробного сообщества, ферментативная активность почвы

Код ГРНТИ68.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сельскохозяйственное производство в современных условиях невозможно без применения пестицидов. Их использование является важным источником диффузного химического загрязнения, которое становится трудно контролировать. Поэтому мировое хозяйство заинтересовано в снижении зависимости от химических факторов производства и развитии и внедрении агробиотехнологий, а именно в создании биопестицидов, как основного средства биоконтроля. В настоящее время особого внимания заслуживают исследования возможности использования микробных метаболитов в качестве биопестицидов. Хорошо известным метаболитом, например, является глиотоксин, продуцируемый Trichoderma spp. Изучение глиотоксина только с позиций растение – патоген – агент биоконтроля и фитотоксичность не достаточно для полного понимания механизмов, используемых агентами биоконтроля для осуществления биологической борьбы с болезнями растений. Необходимо учитывать более сложные взаимодействия с микробиомом растения, его ризосферой, в прилегающем почвенном биотопе, а также с физической средой, учитывая тип почвы, температуру, рН и влажность растений и почвенной среды и др. параметры. Отсутствие сведений о действии глиотоксина на почвенные микробные сообщества, биохимические процессы и почвенные ферменты является недостающим звеном сложных взаимодействий всей системы биологического контроля, что и определило актуальность данной работы. Цель Проекта, его новизна определяется комплексным исследованием по изучению влияния различных концентраций глиотоксина почвенных грибов, на особенности функционирования микробного сообщества и энзимную активность почв в динамике (на 1, 7, 14, 30, 60 и 90 день). В рамках реализации проекта впервые будет а) исследована реакция почвенного микробного сообщества (доля грибного и бактериального компонентов биомассы почвы, С, N и Р микробной биомассы, таксономическое микробное разнообразие, микробное продуцирование СО2, экофизиологический статус, метаболическая активность, эффективность использования микроорганизмами углерода почвы и т.д.) и почвенных ферментов углеродного (хитиназы, β-глюкозидазы, ксилоназы, целлобиогидролазы, инвертазы), фосфатного (фосфотазы) и азотного (лейцинаминопептидазы, уреазы) циклов на внесение в почву глиотоксина; б) определена зависимость почвенной ферментативной и микробной активности от остаточных количеств глиотоксина; в) определено насколько велико и продолжительно по времени действие глиотоксина на почвенный микробоценоз и ферментный пул, время проявления максимального эффекта глиотоксина, степень и продолжительность «нарушения» микробного сообщества.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Алексей С. Васильченко, Елена В. Гурина, Константин А. Дроздов, Никита А. Вершинин, Сергей В. Кравченко, Анастасия В. Васильченко Exploring the antibacterial action of gliotoxin: Does it induce oxidative stress or protein damage? Biochimie, V. 214 (4), Part B, P. 86-95 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biochi.2023.06.009

2. Тесля А.В., Гурина Е.В., Степанов А.А., Яшников А.В., Васильченко А.С. The Microbiological Activity of Soil in Response to Gliotoxin, the “Lethal Principle” of Trichoderma Agronomy , Agronomy 2024, 14(9), 2084 (год публикации - 2024)
10.3390/agronomy14092084

3. Тесля А.В., Гурина Е.В., Пошвина Д.В., Степанов А.А., Яшников А.В., Васильченко А.С. Fungal Secondary Metabolite Gliotoxin Enhances Enzymatic Activity in Soils by Reshaping their Microbiome Rhizosphere, Volume 32, 100960 (год публикации - 2024)
10.1016/j.rhisph.2024.100960

4. Алексей С. Васильченко, Елена В. Гурина, Константин А. Дроздов, Никита А. Вершинин, Сергей В. Кравченко, Анастасия В. Васильченко Exploring the antibacterial action of gliotoxin: Does it induce oxidative stress or protein damage? Biochimie, V. 214 (4), Part B, P. 86-95 (год публикации - 2023)
10.1016/j.biochi.2023.06.009

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Триходерма является почвенным микроорганизмом, который имеет много свойств, полезных для растений и поэтому широко используется в сельском хозяйстве. Среди вторичных метаболитов, продуцируемых триходермой, глиотоксин является одним из наиболее изученных. Антагонистическое действие глиотоксина на другие грибы было впервые открыто Р. Вайндлингом в 1934 году. Он называл это «смертоносным принципом» триходермы. Несмотря на долгую историю изучения глиотоксина, его влияние на почвенное микробное сообщество остается в значительной степени неизученным. В рамках выполняемого Проекта проведено исследование реакции почвенного микробного сообщества на различные дозы глиотоксина (10, 50 и 500 мкМ/кг) и разную продолжительность (7–56 дней) воздействия. Мы оценили микробиологические параметры (выброс СО2, микробную биомассу (МБ)), рассчитали экофизиологические показатели и определили активность почвенных ферментов, участвующих в циклах C (β-D-1,4-целлобиозидазы, β-1,4-глюкозидазы, β-1,4-ксилозидазы), N (β-1,4-N-ацетилглюкозаминидазы, лейцинаминопептидазы), P (кислой фосфатазы) и S (арилсульфатазы). Первой реакцией микробного сообщества на обработку почв различными концентрациями глиотоксина (7-е сутки эксперимента) стал всплеск дыхательной активности (увеличение выбросов CO2) и снижение содержания микробной биомассы. Такой стрессовый эффект на микробные сообщества в течение инкубационного периода был преобладающим. На основании данных об остаточных количествах глиотоксина в исследуемых пробах (на 14-е сутки глиотоксин в пробах с 10 и 50 мкМ не обнаруживался, а в микрокосмах с 500 мкМ ГТ обнаруживалось около 7% от начальной дозы) мы полагаем, что прямое действие глиотоксина со временем ослабевает, и развивается косвенный постантибиотический эффект. Наибольшие изменения микробной биомассы, дыхания и активности ферментов наблюдались при обработке почвы глиотоксином в концентрации 500 мкМ. К 56-м суткам инкубации в образцах, обработанных 500 мкМ глиотоксина развился ингибирующий эффект. Почвенные внеклеточные ферменты также реагировали на глиотоксин в разной степени. Стимулирующее достоверное действие глиотоксина на активность фермента отмечено в отношении β-D-1,4-целлобиозидазы и β-1,4-глюкозидазы. Активность арилсульфатазы и лейцинаминопептидазы снижалась под влиянием глиотоксина до 28 суток, но к концу эксперимента наблюдалось восстановление активности. Существенных изменений активности β-1,4-ксилозидазы, β-1,4-N-ацетилглюкозаминидазы и кислой фосфатазы не наблюдалось. Получается, глиотоксин в высоких, «техногенных» дозах может подавлять микробиологическую активность почвы, но при встречающихся в природе концентрациях может оказывать стимулирующее действие на функциональность почвенного микробиома. Разработка сценариев реакции микробного сообщества, включая ферментативную активность в ответ на «стресс», определяется дозой антибиотика и свойствами самой почвы. Поэтому важно понимать взаимодействие между различными свойствами почвы, такими как тип почвы, текстура, содержание влаги, кислотность, содержание органического вещества и другие, а также дозировку препарата и его пространственную и временную изменчивость по отношению к микробиологическим параметрам и ферментативной активности почвы. Эти знания будут иметь решающее значение для определения того, как глиотоксин или грибы, производящие глиотоксин, могут быть использованы в сельскохозяйственной практике. Полученные результаты опубликованы в научном журнале Agronomy (Q 1) [https://doi.org/10.3390/agronomy14092084]. Результаты опубликованы в масс-медиа: на сайте РИА НОВОСТИ https://ria.ru/20241107/nauka-1982234645.html и в социальной сети ВКОНТАКТЕ https://vk.com/lar_xbio.

Публикации