Метагеномная характеристика ризосферного эффекта при выращивании злаковых культур в черноземной и дерново-подзолистой почв

Метагеномная характеристика ризосферного эффекта при выращивании злаковых культур в черноземной и дерново-подзолистой почв

Автор: Зверев А.О., Першина Е.В., Проворов Н.А., Андронов Е.Е., Серикова Е.Н.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Растение и почва

Статья в выпуске: 5 т.51, 2016 года.

Бесплатный доступ

Ризосферный эффект (изменение состава сообщества микроорганизмов под действием корневой экссудации растений) широко освещен в научной литературе. Убедительно показана его зависимость от таких внешних факторов, как тип почвы, вид и сорт растения и т.д. Задачей настоящей работы стало изучение влияния типа почвы и вида растения на ризосферный эффект при помощи современных методик высокопроизводительного секвенирования. Эта проблема неоднократно рассматривалась иностранными коллегами, однако подобное исследование на российских почвах и культурах, используемых в отечественной агропромышленности, было поведено впервые. В работе использовались две контрастные по агрохимическим показателям почвы - чернозем (Воронежская обл.) и дерново-подзолистая почва (Псковская обл.). Семена ржи (Secale cereale L., к-6469 по каталогу ВИР, местный сорт, используемый в Псковской области) и пшеницы (Triticum aestivum L., сорт Волшебница, к-54609 по каталогу ВИР) (получены из коллекции ВИР, г. Санкт-Петербург) выращивали в вегетационном домике на обеих почвах в течение 42 сут. Используя NGS-секвенирование V4 вариабельного участка гена 16S-рДНК, про-анализировали состав сообществ микроорганизмов исходных почв и сформированных на них ризосфер. Несмотря на небольшую длительность эксперимента, в обеих почвах был выявлен выраженный ризосферный эффект. Наиболее сильным фактором оказался тип почвы. Сообщества исходных почв, а также различные ризосферные сообщества, сформированные на этих почвах, достоверно отличались друг от друга. Для обеих почв показано сохранение этой закономерности при формировании ризосферных сообществ микроорганизмов у ржи и пшеницы. Вид растения был вторым по значимости (после типа почвы) фактором, определяющим таксономический состав ризосферного микробиома. У ржи сообщества ризосферы в целом оказались несколько ближе к сообществам исходных почв, чем у пшеницы. Также сообщества ризосфер ржи на дерново-подзолистой почве, по данным кластерного анализа, близки по структуре к сообществам исходной почвы. Таксономический микробиомный анализ сообществ на уровне фил позволил выявить группы, в наибольшей степени ответственные за ризосферный эффект. Формирование ризосферных сообществ сопровождалось увеличением количества последовательностей, характерных для класса Betaproteobacteria, при снижении числа представителей филы Verrucomicrobia. Сочетание особенностей дерново-подзолистой почвы и выращиваемой на ней пшеницы приводит к значительным изменениям в сообществе. По результатам всех анализов эти сообщества существенно отличаются от сообществ исходной почвы и ризосферы ржи на дерново-подзолистой почве. Возможно, это связано с увеличением доли бактерий из рода Flavobacterium (фила Bacteroidetes) в указанных сообществах. Таким образом, при помощи метода высокопроизводительного секвенирования, обладающего высокой разрешающей способностью и возможностью исследовать в том числе некультивируемые формы микроорганизмов, было наглядно показано наличие ризосферного эффекта при выращивании культурных сортов растений, а также продемонстрированы особенности взаимодействия отдельных формирующих его факторов. Однако для подтверждения ризосферного эффекта, а также более подробного исследования механизмов, лежащих в его основе, необходимо дополнить проведенный нами таксономический анализ исследованиями, характеризующими связь структуры ризосферного микробиома с составом растительных экссудатов. Для этого запланировано проведение ряда модельных экспериментов по внесению в почву веществ, входящих в состав корневых экссудатов исследуемых сортов ржи и пшеницы.

Еще

Ризосферный эффект, ризосферный микробиом, ризосфера ржи, ризосфера пшеницы, метагеномный анализ

Короткий адрес: https://sciup.org/142213968

IDR: 142213968   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2016.5.654rus

Список литературы Метагеномная характеристика ризосферного эффекта при выращивании злаковых культур в черноземной и дерново-подзолистой почв

  • Костычев С.П. Физиология растений. Ч. 2. М.-Л., 1933.
  • Генкель П.А. Физиология растений с основами микробиологии. М., 1962.
  • Philippot L., Raaijmakers J.M., Lemanceau P., van der Putten W.H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol., 2013, 11(11): 789-799 ( ) DOI: 10.1038/nrmicro3109
  • Rovira A.D. Plant root exudates. Bot. Rev., 1969, 35: 35-57.
  • Hale M.G., Moore L.D., Griffin G.J. Root exudates and exudation. In: Interaction between non-pathogenic soil microorganisms and plants/Y.R. Dommergues, S.V. Krupa (eds.). Amsterdam, 1978: 163-203.
  • Тихонович И.А., Проворов Н.А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего. СПб, 2009.
  • Кравченко Л.В., Шапошников А.И., Макарова Н.М., Азарова Т.С., Львова К.А., Костюк И.И., Тихонович И.А. Видовые особенности состава корневых выделений растений и его изменение в ризосфере под влиянием почвенной микрофлоры. Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 71-75.
  • Шапошников А.И., Белимов А.А., Кравченко Л.В., Виванко Д.М. Взаимодействие ризосферных бактерий с растениями: механизмы образования и факторы эффективности ассоциативных симбиозов (обзор). Сельскохозяйственная биология, 2011, 3: 16-22.
  • Bais H.P., Weir T.L., Perry L.G., Gilroy S., Vivanco J.M. The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annu. Rev. Plant Biol., 2006, 57: 233-266 (doi: 10.1146/annurev.arplant.57.032905.105159).
  • Wieland G., Neumann R., Backhaus H. Variation of microbial communities in soil, rhizosphere, and rhizoplane in response to crop species, soil type, and crop development. Appl. Environ. Microbiol., 2001, 67(12): 5849-5854 ( ) DOI: 10.1128/AEM.67.12.5849-5854.2001
  • Schreiter S., Ding G.C., Heuer H., Neumann G., Sandmann M., Grosch R., Kropf S., Smalla K. Effect of the soil type on the microbiome in the rhizosphere of field-grown lettuce. Front. Microbiol., 2014, 5: 144 ( ) DOI: 10.3389/fmicb.2014.00144
  • Chaparro J.M., Badri D.V., Vivanco J.M. Rhizosphere microbiome assemblage is affected by plant development. ISME J., 2014, 8(4): 790-803 ( ) DOI: 10.1038/ismej.2013.196
  • Winston M.E., Hampton-Marcell J., Zarraonaindia I., Owens S.M., Moreau C.S., Gilbert J.A., Hartsel J.A., Kennedy S.J., Gibbons S.M. Understanding cultivar-specificity and soil determinants of the Сannabis microbiome. PLoS ONE, 2014, 9(6): e99641 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0099641
  • Bulgarelli D., Garrido-Oter R., Münch P.C., Weiman A., Dröge J., Pan Y., McHardy A.C., Schulze-Lefert P. Structure and function of the bacterial root microbiota in wild and domesticated barley. Cell Host Microbe, 2015, 17(3): 392-403 ( ) DOI: 10.1016/j.chom.2015.01.011
  • Coleman-Derr D., Desgarennes D., Fonseca-Garcia C., Gross S., Clingenpeel S., Woyke T., North G., Visel A., Partida-Martinez L.P., Tringe S.G. Plant compartment and biogeography affect microbiome composition in cultivated and native Agave species. New Phytol., 2016, 209(2): 798-811 ( ) DOI: 10.1111/nph.13697
  • Handelsman J. Metagenomics: application of genomics to uncultured microorganisms. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2004, 68: 669-685 ( ) DOI: 10.1128/MMBR.68.4.669-685.2004
  • Lundberg D.S., Lebeis S.L., Paredes S.H., Yourstone S., Gehring J., Malfatti S., Tremblay J., Engelbrektson A., Kunin V., delRio T.G., Edgar R.C., Eickhorst T., Ley R.E., Hugenholtz P., Tringe S.G., Dangl J.L. Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome. Nature, 2012, 488(7409): 86-90 ( ) DOI: 10.1038/nature11237
  • Micallef S.A., Shiaris M.P., Colón-Carmona A. Influence of Arabidopsis thaliana accessions on rhizobacterial communities and natural variation in root exudates. J. Exp. Bot., 2009: 60(6): 1729-1742 ( ) DOI: 10.1093/jxb/erp053
  • van der Heijden M.G., Schlaeppi K. Root surface as a frontier for plant microbiome research. PNAS USA, 2015, 112(8): 2299-2300 ( ) DOI: 10.1073/pnas.1500709112
  • Bonito G., Reynolds H., Robeson M.S. 2nd, Nelson J., Hodkinson B.P., Tuskan G., Schadt C.W., Vilgalys R. Plant host and soil origin influence fungal and bacterial assemblages in the roots of woody plants. Mol. Ecol., 2014, 23(13): 3356-3370 ( ) DOI: 10.1111/mec.12821
  • Bodenhausen N., Horton M.W., Bergelson J. Bacterial communities associated with the leaves and the roots of Arabidopsis thaliana. PLoS ONE, 2013, 8(2): e56329 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0056329
  • Neumann G., Bott S., Ohler M.A., Mock H.P., Lippmann R., Grosch R., Smalla K. Root exudation and root development of lettuce (Lactucasativa L. cv. Tizian) as affected by different soils. Front. Microbiol., 2014, 5: 2 ( ) DOI: 10.3389/fmicb.2014.00002
  • Donn S., Kirkegaard J.A., Perera G., Richardson A.E., Watt M. Evolution of bacterial communities in the wheat crop rhizosphere. Environ. Microbiol., 2015, 3: 610-621 ( ) DOI: 10.1111/1462-2920.12452
  • Edwards J., Johnson C., Santos-Medellín C., Lurie E., Podishetty N.K., Bhatnagar S., Eisen J.A., Sundaresan V. Structure, variation, and assembly of the root-associated microbiomes of rice. PNAS USA, 2015, 112(8): E911-E920 ( ) DOI: 10.1073/pnas.1414592112
  • Андронов Е.Е., Пинаев А.Г., Першина Е.В., Чижевская Е.П. Научно-методические рекомендации по выделению высокоочищенных препаратов ДНК из объектов окружающей среды. СПб, 2011.
  • Bates S.T., Berg-Lyons D., Caporaso J.G., Walters W.A., Knight R., Fierer N. Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil. ISME J., 2011, 5: 908-917 ( ) DOI: 10.1038/ismej.2010.171
  • Caporaso J.G., Kuczynski J., Stombaugh J., Bittinger K., Bushman F.D., Costello E.K., Fierer N., Peña A.G., Goodrich J.K., Gordon J.I., Huttley G.A., Kelley S.T., Knights D., Koenig J.E., Ley R.E., Lozupone C.A., McDonald D., Muegge B.D., Pirrung M., Reeder J., Sevinsky J.R., Turnbaugh P.J., Walters W.A., Widmann J., Yatsunenko T., Zaneveld J., Knight R. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data. Nature Methods, 2010, 7(5): 335-336 ( ) DOI: 10.1038/nmeth.f.303
  • DeSantis T.Z., Hugenholtz P., Larsen N., Rojas M., Brodie E.L., Keller K., Huber T., Dalevi D., Hu P., Andersen G.L. Greengenes, a chimera-checked 16S rRNA gene database and workbench compatible with ARB. Appl. Environ. Microbiol., 2006, 72(7): 5069-5072 ( ) DOI: 10.1128/AEM.03006-05
  • Lozupone C.A., Knight R. Global patterns in bacterial diversity. PNAS USA, 2007, 104(27): 11436-11440 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0611525104
  • Hammer O., Harper D., Ryan P. PAST: Paleontological Statistics software package for education and data analysis. Paleontologia Electronica, 2001, 4(1): art. 4 (9pp).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp