Учёные из Ростова разработали первую в мире карту микробного разнообразия почв

Специалисты ЮФУ сделали картирование метагенома почв и разработали специальное приложение. По задумке учёных, это позволит оценить здоровье почв, что может помочь увеличению урожайности.

По данным экпертов, после революции в мировой биологии у учёных впервые появился доступ к изучению некультивируемых микроорганизмов методом метагеномики – подхода, который позволяет определить микробное сообщество, изучить его разнообразие и функции.

Благодаря массовому скринингу почв на юге страны и данному подходу учёные Академии биологии и биотехнологии Д.И. Ивановского ЮФУ выделили представительные сочетания и на основе полученных данных исследовали территории Ростовской области. По итогам работы был создан веб-интерфейс приложение с картой метагенома Ростовской области – инструментом для изучения и визуализации распределения микробного биоразнообразия в зависимости от зональности, типа, истории взаимодействия с человеком и происхождения почвы.

«Использование современных методов метагеномики даст возможность изучить все разнообразие и функции почвенного микробиома, так как в настоящее время изучено до 5% от общего разнообразия микроорганизмов в почве, культивируемых на стандартных микробиологических средах. Сочетание современных методов высокопроизводительного секвенирования с классическими подходами и методами, используемыми в почвенной микробиологии и почвоведении, позволит решить глобальные вопросы экологии почвенных микроорганизмов, касающихся взаимосвязи структуры микробных сообществ и свойств почвы», – рассказала руководитель стратегического проекта ЮФУ «Управление почвенными ресурсами и агроклиматология» программы «Приоритет 2030», заведующая кафедрой почвоведения и оценки земельных ресурсов АБИБ ЮФУ Татьяна Минкина.

На данном этапе работы уже изучен метагеном почв особо охраняемых природных территорий (ООПТ), представляющих основной спектр почв степной и сухостепной зон Ростовской области с высоким уровнем плодородия. Данные почвы, практически не подверженные антропогенному влиянию, обладают наибольшим биоразнообразием в сравнении с активно использующимися в сельском хозяйстве, и могут служить эталонами качества почв. По словам учёных ЮФУ, выделение эталонов почв имеет стратегическое значение для устойчивого развития территорий, так как доля природных ландшафтов в общей площади территории Ростовской области является одной из самых низких в стране (не более 25%). Помимо этого, в рамках программы «Приоритет 2030» разработаны принципы создания Красной книги почв и создан электронный атлас целинных эталонных почв ООПТ Ростовской области.

«Мы не только диагностируем те изменения, которые происходят в природе, но также разрабатываем прорывные технологии для сохранения природно-ресурсного потенциала Юга России. Впервые нами была создана метагеномная карта (ДНК микробиомы почв) особо охраняемых почвенных объектов Ростовской области. Используя весь потенциал высокотехнологичного метода метагеномного секвенирования ДНК, мы можем разрабатывать биопрепараты для повышения плодородия почв. Применяя такие прорывные технологии и адаптируя их под наши задачи, при этом основываясь на глубокой теоретической базе, мы можем обеспечить успешное импортозамещение не только в сфере производства, но и технологий», – отметил Горовцов Андрей, доцент кафедры биохимии и микробиологии ЮФУ.

Дело в том, что ранее практически все метагеномные исследования проводили с использованием подхода, который заключался в определении количества и последовательности всех копий одного универсального гена (такого как 16S рРНК ген, 18S рРНК ген, ген ITS), так как учёные могли изучать ранее только видовое, но не функциональное разнообразие экосистемы. Отличительной особенностью проекта ЮФУ стало применение высокоинформативного метода шотган-секвенирования для изучения непосредственно метагенома, то есть совокупного набора всех генов какого-либо сообщества организмов. Для почв чернозёмной зоны юга России такое исследование было проведено впервые.

Специалисты также оценили количество и спектр генов антибиотикоустойчивости в почвах ООПТ. Оказалось, что для метагеномов исследованных проб почв характерно низкое содержание генов устойчивости к антибиотикам при достаточно высоком уровне их разнообразия. Так, во всех пробах почв содержалось 56 уникальных генов, обеспечивающих устойчивость к двум и более различным типам антибиотиков.

Сейчас веб-приложение позволяет отображать пространственную и количественную информацию о метагеноме, которая размещена в почвенной базе данных ЮФУ. Приложение является пополняемым ресурсом, то есть информация о почвенных свойствах, показателях их качества и безопасности, а также о биологических свойствах почв, включая метагеномные данные, актуализируется по мере пополнения новой информацией.

Полученные результаты имеют как фундаментальное значение, связанное с изучением адаптации и эволюции микробного сообщества почв, так и практическое, обусловленное выделением стабильных микробных коррелятов здоровья и плодородия почв: таксономических и функциональных показателей, мониторинг и дальнейшее воспроизведение, которые необходимы для сохранения экологического биоразнообразия, осуществления устойчивого землепользования или проведения мероприятий по биоремедиации загрязнённых почв.

Уточним, что специалисты университета развивают технологии защиты почвы в рамках реализации стратегического проекта «Управление почвенными ресурсами и агроклиматология» по программе Минобрнауки «Приоритет 2030».