Разнообразие фосформобилизующих, азотфиксирующих и патогенных бактерий в почвах возделываемых полей Свердловской области
Доступность органических веществ и уровень патогенности среды — основные лимитирующие факторы развития растений. Широко известно, что фосфаты необходимы для роста растений и участвуют в различных реакциях. Они — лимитирующий фактор для развития растений, их дефицит в почвах сегодня решается внесением удобрений. Однако химические удобрения дороги и менее эффективны, чем органические. Почвенные микроорганизмы способны переводить фосфатные соединения в доступные для растений формы.
Фосфатмобилизующие (ФМ) бактерии в основном относятся к трем филам бактерий: Firmicutes, Actinobacteria и Proteobacteria. А на уровне рода выделяют Acinetobacter, Aeromonas, Agrobacterium, Arthrobacter, Azotobacter, Bacillus, Bradyrhizobium, Burkholderia, Citrobacter, Cyanobacteria, Delftia, Enterobacter, Erwinia, Gordonia, Klebsiella, Kushneria, Micrococcus, Paenibacillus, Pantoea, Phyllobacteriu, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodococcus, Salmonella, Serratia, Sinomonas, Sphingobium, Streptomyces, Thiobacillus и Xanthomonas.
Отмечается видовая специфичность бактерий в зависимости от растения хозяина, и у культурных растений выявлены связи со следующими видами: Acinetobacter rizosphaerae,Acinetobacter sp., Alcaligenes faecalis,Arthrobacter defluvii,Arthrobacter sp.,Bacillus amyloliquefaciens,Bacillus atrophaeus,Bacillus cepacia,Bacillus cereus,Bacillus licheniformis,Bacillus megaterium,Burkholderia cenocepacia,Chryseobacterium sp.,Chryseomonas luteola,Cupriavidus sp.,Enterobacter aerogenes,Enterobacter asburiae,Enterobacter sp.,Enterobacter taylorae,Exiguobacterium acetylicum,Klebsiella sp.,Klebsiella variicola,Kluyvera cryocrescens,Leclercia adecarboxylata,Mycobacterium phlei,Ochrobactrum pseudogrignonense,Paenibacillus macerans, Pantoea agglomerans,Pseudomonas chlororaphis,Pseudomonas corrugata,Pseudomonas fluorescens,Pseudomonas fragi,Pseudomonas frederiksbergensis,Pseudomonas fulva,Pseudomonas lurida,Pseudomonas poae,Pseudomonas putida,Pseudomonas sp.,Pseudomonas stutzeri,Pseudomonas trivalis,Rahnella aquatilis HX2,Rhizobium sp.,Rhodanobacter sp.,Rhodococcus erythropolis,Rhodococcus sp.,Serratia marcescens,Staphylococcus cohnii,Staphylococcus haemolyticus,Tetrathiobacter sp.,Vibrio proteolyticus,Vibrio paradoxus,Xanthobacter agilis,Xanthomonas campestris.
Известны некоторые виды, ассоциированные преимущественно с картофелем, например Bacillus pumilus, который оказывает значимое влияние на развитие побегов картофеля, или виды Bacillus thuringiensis, Enterobacter cloacae, Pseudomonas pseudoalcaligenes, выделенные из дикого картофеля и отмеченные в качестве кандидатов, способных повысить урожайность и усвоение питательных веществ культурными сортами картофеля.
Азот является ключевым питательным элементом для роста растений, несмотря на то что он присутствует в атмосфере в молекулярной форме и не может быть непосредственно усвоен растениями. Для того чтобы растение могло метаболизировать азот, он должен быть преобразован в доступную форму. Биологическая фиксация азота играет важную роль в круговороте азота в экосистемах, обеспечивая растения доступным азотом для синтеза нуклеиновых кислот, аминокислот, белков и других жизненно важных органических соединений. Этот процесс осуществляется различными видами бактерий, которые принадлежат разнообразным таксонам.
Выделяют свободноживущие азотфиксаторы (АФ), к которым относятся Azoarcus, Azotobacter, Azospirillum, Gluconoacetobacter, цианобактерии Anabaena, Nostoc и симбиотические Allorhizobium, Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Rhizobium и Sinorhizobium, которые образуют связь с представителями бобовых. Известны некоторые отдельные виды, например Burkholderia vietnamiensis, единственный представитель своего рода, способный к фиксации атмосферного азота, патогенный вид Ralstonia solanacearum вызывает увядание картофеля или бурую гниль, Rhodobacter capsulatus, Leptospirillum ferrooxidans.
Бактериальные инфекции приводят к ослаблению и гибели растений в процессе их роста, а также к загниванию клубней как в почве, так и в процессе хранения. Ежегодные потери урожая от бактериальных заболеваний составляют от 10 до 15%, а в годы, когда бактериальные инфекции приобретают характер эпифитотий, они могут превышать 50%.
На картофеле паразитирует широкий спектр бактериальных бактерий, в основном представленный Ralstonia, Clavibacter, Pectobacterium, Dickeya, Streptomyces и Liberibacter. Ralstonia solanacearum, R. pseudosolanacearum и R. syzygii — возбудители коричневой гнили. Pectobacterium вызывает такое заболевание, как черная ножка (некроз стебля), а его представители способны поражать растения совместно с видами рода Dickeya. Liberibacter crescens вызывает патологию клубня — Zebra chip (картофель пятнистый). Clavibacter michiganensis — причина круговой гнили клубня. Широкий спектр представителей рода Streptomyces вызывает паршу обыкновенную, в частности на картофеле преимущественно паразитируют виды Streptomyces scabies, S. acidiscabiei и S. turgidiscabiei.
Изучение всего вышеперечисленного разнообразия заняло бы продолжительное время, если бы не современные технологии высокопроизводительного секвенирования второго (Illumina) или третьего поколения (PacBio, Oxford Nanopore). Они позволяют получать большой объем данных секвенирования с достаточно высокой степенью достоверности. Это позволяет покрыть максимально возможное число родов бактерий и даже их видов, а также выявить низкообильные по сравнению с другими группами бактерий, патогенные виды.
Цель работы — оценка присутствия и разнообразия известных таксонов фосформобилизующих и азотфиксирующих бактерий, а также патогенных видов бактерий картофеля в возделываемых полях Свердловской области.
Материалы и методы исследования
Для данной работы были использованы результаты секвенирования 2022 года образцов почв с восьми полей, расположенных в трех зонах Свердловской области — г. Екатеринбурге, Белоярском и Сысертском районах. Более подробное описание методики отбора, секвенирования и результатов секвенирования в предыдущей работе авторов. Выявление групп азотфиксаторов и фосформобилизующих бактерий проводили в соответствии со списком видов и родов, представленным в обзоре данной работы.
Содержание гумуса, реакцию почвенной среды pHсол, содержание общего азота, азота легкогидролизуемого и фосфора подвижного определяли в объединенной пробе, сложенной из отобранных точечных образцов. Анализ проводили в аналитической лаборатории Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства.
Результаты опыта были обработаны биометрически с помощью программного обеспечения R.
Матрицы обилия таксономичееских единиц создавали с помощью пакета OTUtable, там же проводили фильтрацию.
Результаты и обсуждение
Почвы на территории Свердловской области, на которых ведется сельскохозяйственная деятельность относятся к подтипу дерново-подзолистых. По результатам определения содержания гумуса (табл. 1), во всех полях, кроме Е2, почва относится к сильногумусным (> 4%). По уровню кислотности выделяются сильнокислые (диапазон 4–4,5), среднекислые (4,5–5,0), слабокислые (5–6) и нейтральные (6–7,5) почвы.
Содержание подвижного фосфора повышенное или высокое. Значительный выброс свыше 1500 мг на 1 кг почвы на поле Б2 объясняется тем, что поле в момент забора образцов оставалось под паром и было обильно унавожено. Содержание легкогидролизуемого азота низкое на полях Е2, Е4; среднее — на поле Б2, на остальных — высокое в соответствии с оценкой. Наибольшее содержание общего азота обнаружено на поле Е1, а наименьшее — на поле Е2.
По результатам секвенирования и фильтрации данных для анализа было доступно 565 618 чтений фрагмента 16S бактериальной рРНК. После фильтрации и расчета матрицы обилия операционных таксономических единиц (ОТЕ) до видового уровня были определены 564 262 чтения (табл. 2).
Из-за того, что почва является достаточно проблематичным типом образцов для исследования нуклеиновых кислот (большое разнообразие типов, различный уровень кислотности и содержания минеральных веществ, наличие гумусовых кислот и других органических соединений) при использовании стандартизированной методики выделения и секвенирования, выход чтений значительно разнится. Однако можно анализировать относительные обилия бактерий. Так, суммарно по всем образцам 3,73% всех ОТЕ принадлежат группе фосформобилизующих бактерий, 1,01% — группе азотфиксаторов, 8,54% — бактериям, входящим в обе группы.
Распределение по полям (рис. 1) следующее: максимальное относительное обилие бактерий АФ наблюдается на поле Е3 (1,77%), минимальное — на поле Е2 (0,47%); наибольшая доля группы ФМ обнаружена на поле Е3 (5,46%), минимальная — на поле Е2 (1,09%), но на поле Е2 больше всего представлена группа ФМ/АФ — 17,73%, меньше всего она на поле Б2 — 5,2%.
В группе АФ преобладает род Mesorhizobium с общей долей 1,14% и доминантным видом Mesorhizobium terrae; в группе ФМ/АФ самые распространенные род Bradyrhizobium и вид Bradyrhizobium mercantei. Наибольшую долю в группе ФМ насчитывает Paenibacillus с суммарным весом в 1,62% и наиболее представленным видом Paenibacillus solisilvae.
Оценка видового альфа-разнообразия показала достоверные различия для группы фосформобилизирующих бактерий между полями Е2 и Б2 для оценок наблюдаемого разнообразия, оценки по Симпсону и Шэннону (рис. 2), при этом видовое разнообразие ниже на поле Е2. Подобные результаты получены и в отношении альфа-разнообразия азотфиксирующих и объединенной групп бактерий (рис. 3, 4), оценки Симпсона и Шэннона также демонстрируют значимые различия между полями Е1 и Е2.
Полученные результаты анализа почв и видового разнообразия не продемонстрировали значимых корреляций между видовыми богатствами групп бактерий ФМ, ФМ/АФ и АФ и минеральным составом. Только у 5 родов из 23 были обнаружены значимые корреляции относительного обилия с показателями pH (Agrobacterium, Rhizobium), общего азота (Bradyrhizobium, Phyllobacterium) и азота легкогидролизуемого (Arthrobacter, Phyllobacterium) (рис. 5).
Agrobacterium, Rhizobium увеличивают свою относительную численность тем больше, чем кислее почва, представители Rhizobium толерантны к понижению pH, в свою очередь у Agrobacterium при таком изменении pH запускается механизм перехода в вирулентную фазу. Наблюдается отрицательная корреляция представителей рода Bradyrhizobium относительно доли общего азота, что интересно, ведь в род входят азотфиксаторы. Виды рода Arthrobacter способны метаболизировать широкий список неорганического азота, в том числе сообщалось об их азотфиксирующих способностях. Phyllobacterium род богат видами, заселяющими клубеньки бобовых и участвующими в фиксации атмосферного азота.
В рамках выявления бактерий, вызывающих бактериозы, ограничились качественным анализом. Во всех образцах были обнаружены различные патогенные виды бактерий, приводящие к заболеваниям картофеля (табл. 3).
В частности, Ralstonia solanacearum и R. syzygii — возбудитель коричневой гнили, Pectobacterium carotovorum вызывает некроз, Liberibacter crescens — заболевание клубня (Zebra chip), Clavibacter michiganensis — причина кольцевой гнили клубня.
Выявлен широкий спектр представителей рода Streptomyces, вызывающих паршу обыкновенную (результаты в табл. 1). Виды родов Bacillus, Erwinia и Dickeya не обнаружены. Наиболее всего в почве распространены виды Streptomyces europaeiscabiei, S. scabiei, S. turgidiscabies. Общая доля выявленных патогенных бактерий в полях составляет от 0,0267 до 0,0638%. Наибольшее количество видов болезнетворных бактерий обнаружено на поле Е4 — 11 из 13, меньше всего — на полях Б1 и С1, что в первую очередь связано со сравнительно низким выходом секвенирования.
Выводы
В почвах возделываемых полей Свердловской области обнаружены свыше 20 родов фосформобилизующих и азотфиксирующих бактерий, которые способны улучшать плодородие почвы путем снабжения растений минеральными веществами, а также 6 родов патогенных видов бактерий картофеля, которые способны снижать урожайность. Общее относительное обилие фосформобилизующих бактерий составляет 3,73%, азотфиксирующих — 1,01%, бактерий, входящих в обе группы, — 8,54%. Доля выявленных патогенных видов не превышает 0,1%.
Оценка разнообразия показала отсутствие значимых различий в видовом разнообразии групп ФМ, ФМ/АФ и АФ между полями Свердловской области. Наибольшее разнообразие бактерий обнаружено на поле Е3, наименьшее — на поле Е2.
Корреляционный анализ показал, что бактерии родов Agrobacterium, Rhizobium, Bradyrhizobium, Phyllobacterium, Arthrobacter и Phyllobacterium могут быть чувствительны к кислотности почвы, содержанию общего и легкогидролизуемого азота.
Во всех образцах обнаружены патогенные виды бактерий, вызывающие заболевания картофеля. Наиболее распространены виды родов Streptomyces, Ralstonia, Pectobacterium, Liberibacter, Clavibacter.
Для оценки присутствия в почве полезных и вредных бактерий необходимо проводить регулярные исследования. Это позволит разработать меры по улучшению плодородия почвы и снижению заболеваемости картофеля путем целенаправленного внесения удобрений или бактериальных агентов.
Об авторах
Георгий Александрович Лиходеевский; младший научный сотрудник
georglihodey@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-2616-2166
Елена Петровна Шанина; доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник
shanina08@yandex.ru; https://orcid.org/0009-0000-5818-3813
Уральский федеральный аграрный научно-исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, ул. Главная, 21, Екатеринбург, 620061, Россия
УДК 664.644;632.3.01/.08;631.461.5;631.461.73
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-391-02-129-137
