Влияние многолетних агрофитоценозов на основе люцерны изменчивой на параметры микробного состава почвы

Авторы:

Носков С.А.,

Тутубалина Н.А.,

Ерофеева Т.В.,

Лазарев Н.Н.,

Мухина М.Т.,

Дивашук М.Г.,

Тощаков С.В.,

Авдеев С.М.

Журнал: Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2025;43(4-2):177-187.

DOI: 10.17116/molgen202543042177

Прочитано: 604 раза

Резюме

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

При помощи высокопроизводительного профилирования микробных сообществ почв по гену 16S рРНК исследовать влияние многолетних агрофитоценозов на основе люцерны изменчивой (Medicago sativa var. Varia) в виде монокультуры или смеси со злаками на микробное разнообразие почв в условиях различных режимов скашивания.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на Полевой опытной станции РГАУ–МСХА им. К.А.Тимирязева в полевом опыте, заложенном в 1996 г. Для выделения ДНК из образцов почвы верхнего органоминерального горизонта использовался набор Qiagen PowerSoil Pro DNA Kit (Qiagen ,Германия), согласно стандартному протоколу производителя на автоматической станции QiaCube (Qiagen, Германия). Для амплификации использовались праймеры, таргетная часть которых соответствовала праймерам 515F/Pro-mod-805R, а технические последовательности включали спейсер гетерогенности, индекс длиной 6 нуклеотидов и стандартный адаптер Illumina. Первичная фильтрация прочтений низкого качества была проведена при помощи программы reformat.sh пакета BBTools.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Выявлено увеличение представленности азотфиксирующих микроорганизмов рода Bradyrhizobium в экспериментальных делянках, на которых проводился посев люцерны или смеси люцерны со злаками по сравнению с пашней. Показано, что двухкратное скашивание ассоциируется с большим уровнем вариации метрик альфа-разнообразия по сравнению с трехкратным скашиванием. Кроме того, показано преимущество двухукосного использования травостоев в отношении накопления фиксированного азота в почве по сравнению с трехукосным ввиду более эффективного формирования разветвленной корневой системы и, соответственно, увеличения интенсивности метаболических потоков в ризосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты демонстрируют возможность поддержания продуктивности агроценозов путем управления составом почвенной микробиоты через оптимизацию ботанического состава травостоев и агротехнических режимов.

Ключевые слова

многолетние агрофитоценозы
микробные сообщества
люцерна изменчивая
корневые системы
азотфиксация

Дата поступления: 30.09.2025

Дата принятия в печать: 22.10.2025

Дата публикации: 08.12.2025

Литература / References

Toshchakov SV, Izotova AO, Vinogradova EN, Kachmazov GS, Tuaeva AY, Abaev VT, et al. Culture-Independent Survey of Thermophilic Microbial Communities of the North Caucasus. Biology. 2021 Dec 20;10(12):1352. https://doi.org/10.3390/biology10121352
Merkel AYu, Tarnovetskii IYu, Podosokorskaya OA, Toshchakov SV. Analysis of 16S rRNA Primer Systems for Profiling of Thermophilic Microbial Communities. Microbiology. 2019 Nov;88(6):671-80. https://doi.org/10.1134/s0026261719060110
Fadrosh DW, Ma B, Gajer P, Sengamalay N, Ott S, Brotman RM, et al. An improved dual-indexing approach for multiplexed 16S rRNA gene sequencing on the Illumina MiSeq platform. Microbiome. 2014 Feb 24;2(1). https://doi.org/10.1186/2049-2618-2-6
Gohl D, Gohl DM, MacLean A, Hauge A, Becker A, Walek D, et al. An optimized protocol for high-throughput amplicon-based microbiome profiling. Protocol Exchange. 2016 Jul 25. https://doi.org/10.1038/protex.2016.030
Bushnell, B. BBMap: A Fast, Accurate, Splice-Aware Aligner. Lawrence Berkeley National Laboratory. 2014 LBNL Report #: LBNL-7065E. 2014. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btx668
Callahan BJ, McMurdie PJ, Rosen MJ, Han AW, Johnson AJA, Holmes SP. DADA2: High-resolution sample inference from Illumina amplicon data. Nature Methods. 2016 May 23;13(7):581-3. https://doi.org/10.1038/nmeth.3869
Mcmurdie Pj, Holmes S. Phyloseq: A bioconductor package for handling and analysis of high-throughput phylogenetic sequence data. Biocomputing. 2012. 2011 Dec. https://doi.org/10.1142/9789814366496_0023
Oksanen J, Kindt R, Simpson GL. vegan3d: Static and Dynamic 3D and Editable Interactive Plots for the “vegan” Package. CRAN: Contributed Packages. The R Foundation; 2014/ https://doi.org/10.32614/cran.package.vegan3d
Schliep KP. phangorn: phylogenetic analysis in R. Bioinformatics. 2010 Dec 17;27(4):592-3. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btq706
Love MI, Huber W, Anders S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2. Genome Biology. 2014 Dec 5;15(12). https://doi.org/10.1186/s13059-014-0550-8
Lozupone CA, Hamady M, Kelley ST, Knight R. Quantitative and Qualitative β Diversity Measures Lead to Different Insights into Factors That Structure Microbial Communities. Applied and Environmental Microbiology. 2007 Mar;73(5):1576-85. https://doi.org/10.1128/aem.01996-06
Quast C, Pruesse E, Yilmaz P, Gerken J, Schweer T, Yarza P, et al. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Research. 2012 Nov 27;41(D1):D590-6. https://doi.org/10.1093/nar/gks1219
Bei Q, Reitz T, Schädler M, Hodgskiss LH, Peng J, Schnabel B, et al. Metabolic potential of Nitrososphaera-associated clades. The ISME Journal. 2024 Jan 1;18(1):Article wrae086. https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae086
Delgado-Baquerizo M, Oliverio AM, Brewer TE, Benavent-González A, Eldridge DJ, Bardgett RD, et al. A global atlas of the dominant bacteria found in soil. Science. 2018 Jan 19;359(6373):320-5. https://doi.org/10.1126/science.aap9516
Zahran HH. Rhizobium-Legume Symbiosis and Nitrogen Fixation under Severe Conditions and in an Arid Climate. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 1999 Dec;63(4):968-89. https://doi.org/10.1128/mmbr.63.4.968-989.1999
Zhong C, Hu G, Hu C, Xu C, Zhang Z, Ning K. Comparative genomics analysis reveals genetic characteristics and nitrogen fixation profile of Bradyrhizobium. iScience. 2024 Feb;27(2):108948. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.108948
Dedysh SN, Knief C, Dunfield PF. Methylocella Species Are Facultatively Methanotrophic. Journal of Bacteriology. 2005 Jul;187(13):4665-70. https://doi.org/10.1128/jb.187.13.4665-4670.2005
Asaf S, Numan M, Khan AL, Al-Harrasi A. Sphingomonas: from diversity and genomics to functional role in environmental remediation and plant growth. Critical Reviews in Biotechnology. 2020 Jan 6;40(2):138-52. https://doi.org/10.1080/07388551.2019.1709793
Chen RW, He YQ, Cui LQ, Li C, Shi SB, Long LJ, et al. Diversity and Distribution of Uncultured and Cultured Gaiellales and Rubrobacterales in South China Sea Sediments. Frontiers in Microbiology. 2021 Jun 16;12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.657072
Rakitin AL, Kulichevskaya IS, Beletsky AV, Mardanov AV, Dedysh SN, Ravin NV. Verrucomicrobia of the Family Chthoniobacteraceae Participate in Xylan Degradation in Boreal Peat Soils. Microorganisms. 2024 Nov 8;12(11):2271.. https://doi.org/10.3390/microorganisms12112271
Contreras-Moreno FJ, Pérez J, Muñoz-Dorado J, Moraleda-Muñoz A, Marcos-Torres FJ. Myxococcus xanthus predation: an updated overview. Frontiers in Microbiology. 2024 Jan 24;15 https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1339696
Murphy CL, Yang R, Decker T, Cavalliere C, Andreev V, Bircher N, et al. Genomes of novel myxococcota reveal severely curtailed machineries for predation and cellular differentiation. nikel pi, editor. Applied and Environmental Microbiology. 2021 Nov 10;87(23). https://doi.org/10.1128/aem.01706-21
Li L, Huang D, Hu Y, Rudling NM, Canniffe DP, Wang F, et al. Globally distributed Myxococcota with photosynthesis gene clusters illuminate the origin and evolution of a potentially chimeric lifestyle. Nature Communications. 2023 Oct 13;14(1). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42193-7
Лазарев Н.Н., Авдеев С.М., Бойцова А.Ю., Кухаренкова О.В., & Куренкова, Е. М. (2023) Улучшение сенокосов и пастбищ подсевом бобовых трав в дернину (обзор) // Кормопроизводство, 7.2023, 3-9. https://doi.org/10.25685/krm.2023.7.2023.009
Лазарев Н.Н., Кухаренкова О.В., Авдеев С.М., Куренкова Е.М., & Дикарева С.А. (2022). Симбиотическая фиксация азота многолетними бобовыми травами в луговых агрофитоценозах // Кормопроизводство, 2.2022,20-28. https://doi.org/10.25685/krm.2022.2.2022.002
Anderson MJ. (2017). Permutational multivariate analysis of variance (PERMANOVA) results. https://doi.org/10.1002/9781118445112.stat07841
Clarke KR. Non‐parametric multivariate analyses of changes in community structure. Australian Journal of Ecology. 1993 Mar;18(1):117-43. https://doi.org/10.1111/j.1442-9993.1993.tb00438.x
Weiss S, Xu ZZ, Peddada S, Amir A, Bittinger K, Gonzalez A, et al. Normalization and microbial differential abundance strategies depend upon data characteristics. Microbiome. 2017 Mar 3;5(1) https://doi.org/10.1186/s40168-017-0237-y
Hara S, Morikawa T, Wasai S, Kasahara Y, Koshiba T, Yamazaki K, et al. Identification of Nitrogen-Fixing Bradyrhizobium Associated With Roots of Field-Grown Sorghum by Metagenome and Proteome Analyses. Frontiers in Microbiology. 2019 Mar 12;10:407. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00407
Brewer TE, Handley KM, Carini P, Gilbert JA, Fierer N. Genome reduction in an abundant and ubiquitous soil bacterium ‘Candidatus Udaeobacter copiosus.’ Nature Microbiology. 2016 Oct 31;2(2). https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.198
Liu H, Carvalhais LC, Crawford M, Singh E, Dennis PG, Pieterse CMJ, et al. Inner Plant Values: Diversity, Colonization and Benefits from Endophytic Bacteria. Frontiers in Microbiology. 2017 Dec 19;8. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.02552
Jia L, Wang Z, Ji L, De Neve S, Struik PC, Yao Y, et al. Keystone microbiome in the rhizosphere soil reveals the effect of long-term conservation tillage on crop growth in the Chinese Loess Plateau. Plant and Soil. 2022 Mar 11;473(1-2):457-72.. https://doi.org/10.1007/s11104-022-05297-5
Eberly JO, Hurd A, Oli D, Dyer AT, Seipel TF, Carr PM. Compositional profiling of the rhizosphere microbiome of Canada thistle reveals consistent patterns across the United States northern Great Plains. Scientific Reports. 2024 Aug 4;14(1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-69082-3
Qiao M, Sun R, Wang Z, Dumack K, Xie X, Dai C, et al. Legume rhizodeposition promotes nitrogen fixation by soil microbiota under crop diversification. Nature Communications. 2024 Apr 4;15(1). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47159-x
Chen M, Chen B, Marschner P. Plant growth and soil microbial community structure of legumes and grasses grown in monoculture or mixture. Journal of Environmental Sciences. 2008 Jan;20(10):1231-7 https://doi.org/10.1016/s1001-0742(08)62214-7
Jara‐Servin A, Mejia G, Romero MF, Peimbert M, Alcaraz LD. Unravelling the genomic and environmental diversity of the ubiquitous Solirubrobacter. Environmental Microbiology. 2024 Jul;26(8). https://doi.org/10.1111/1462-2920.16685
Bao Y, Dolfing J, Guo Z, Chen R, Wu M, Li Z, et al. Important ecophysiological roles of non-dominant Actinobacteria in plant residue decomposition, especially in less fertile soils. Microbiome. 2021 Apr 7;9(1). https://doi.org/10.1186/s40168-021-01032-x
Yan H, Jin X, Zhou X, Gu S, Wu X, Li P, et al. Long-term cultivation of grass–legume mixtures changed the assembly process of the microbial community and increased microbial community stability. ISME Communications. 2024 Dec 12;5(1). https://doi.org/10.1093/ismeco/ycae157
39. Xie Y, Liu W, Li P, Bai S, Li D, Zhang L, et al. Soil bacterial community structure at different plant maturity stages in an annual grass–legume production system. Frontiers in Sustainable Food Systems. 2023 Apr 18;7. https://doi.org/10.3389/fsufs.2023.1145488
Yang Y, Xu N, Zhang Z, Lei C, Chen B, Qin G, et al. Deciphering Microbial Community and Nitrogen Fixation in the Legume Rhizosphere. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2024 Mar 5;72(11):5659-70. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.3c09160
Luo F, Mi W, Liu W. Legume–grass mixtures improve biological nitrogen fixation and nitrogen transfer by promoting nodulation and altering root conformation in different ecological regions of the Qinghai–Tibet Plateau. Frontiers in Plant Science. 2024 Jun 13;15. https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1375166
Teixeira EI, Moot DJ, Mickelbart MV. Seasonal patterns of root C and N reserves of lucerne crops (Medicago sativa L.) grown in a temperate climate were affected by defoliation regime. European Journal of Agronomy. 2007 Jan;26(1):10-20. https://doi.org/10.1016/j.eja.2006.08.010
Selari PJRG, Olchanheski LR, Ferreira AJ, Paim T do P, Calgaro Junior G, Claudio FL, et al. Short-Term Effect in Soil Microbial Community of Two Strategies of Recovering Degraded Area in Brazilian Savanna: A Pilot Case Study. Frontiers in Microbiology. 2021 Jun 9;12. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.661410
Jiang ZM, Mou T, Sun Y, Su J, Yu LY, Zhang YQ. Environmental distribution and genomic characteristics of Solirubrobacter, with proposal of two novel species. Frontiers in Microbiology. 2023 Dec 1;14. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1267771
Smith DJ, Duston S, Barney JN, Strahm BD, Agarwal P, Mangru A, et al. Dissolved organic carbon characteristics are associated with changes in soil microbiome under different plant species. Applied Soil Ecology. 2024 Apr;196:105313 https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2024.105313