Оценка длительного воздействия бессменного выращивания различных сельскохозяйственных культур на микробные сообщества почвы

Проведены исследования почвенных микробных сообществ под разными сельскохозяйственными растениями (лен, клевер, ячмень, картофель, озимая рожь), выращиваемыми в бессменных посевах и севообороте. Изучено влияние бессменного посева и севооборота на таксономический профиль прокариотической и грибной составляющих почвенного микробиома. Произведена оценка влияния бессменного выращивания культур и севооборота на фоне без внесения минеральных и органических удобрений на интенсивность метаболизма и устойчивость почвенной биоты. Объектом исследований служил Длительный опыт Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева, заложенный в 1912 г. профессором А.Г. Дояренко. Показано, что у грибов наибольшее значение операционной таксономической единицы (ОТЕ) было в почве под паром и севооборотом. Для прокариот, напротив, количество ОТЕ было самым низким в варианте севооборота. Установлено, что аскомицеты являются доминирующим таксоном грибов во всех исследованных образцах. У прокариот доминировали Proteobacteria и Acidobacteriota, далее – Actinobacteriota и Firmicutes, и в меньшей степени представлены Chloroflexi. Среди архей преобладал филум Crenarcheota. Показано, что бессменное выращивание культур в целом негативно сказывается на функционировании микробного сообщества. При оптимальном значении метаболического коэффициента 0,2 при монокультуре они достигали 0,6. Устойчивость микробного сообщества почвы снижена в результате бессменного выращивания картофеля, льна и клевера на фоне без внесения органических и минеральных удобрений, а также в варианте «вечного пара». Особенно неблагоприятные условия были отмечены при монокультуре картофеля. Бессменное выращивание зерновых, особенно озимой ржи, не ведет к существенному снижению активности почвенной биоты и устойчивости микробных сообществ почв. Севооборот позволяет оптимизировать микробиологические процессы в почве и повысить устойчивость микробного сообщества.

1. Аллелопатия растений и почвоутомление: Избранные труды / А.М. Гродзинский; Редкол.: В.Д. Романенко (отв. ред.) и др. / АН УССР. Центральный республиканский ботанический сад. – Киев: Наукова думка, 1991. – 432 с.

2. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв: монография. – М.: Наука, 2003. – 223 с.

3. Антонов А.А., Баранова Е.Н., Гулевич А.А., Куренина Л.В., Ванькова А.А., Ралдугина Г.Н. Модификация микробного сообщества ризосферы трансгенных растений томата с геном синтеза глицинбетаина // Известия ТСХА. – 2020. – № 5. – С. 18–29.

4. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение. – 1996. – № 11. – С. 1341–1346.

5. Воробьева Л.И. Археи: учеб. пособие. – М.: Академкнига, 2007. – 447 с.

6. Добровольский Г.В. Экологическая роль почвы в биосфере и в жизни человека // Доклады по экологическому почвоведению. – 2007. – Т. 2, № 6. – С. 1–16.

7. Доспехов Б.А., Кирюшин Б.Д. Плодородие почвы в условиях севооборота и бессменных культур // Сельское хозяйство за рубежом. – 1979. – № 11. – С. 2–7.

8. Думова В.А., Першина Е.В., Мерзлякова Я.В., Круглов Ю.В., Андронов Е.Е. Основные тенденции в формировании почвенного микробного сообщества в условиях стационарного полевого опыта по данным высокопроизводительного секвенирования библиотек гена 16S-рРНК // Сельскохозяйственная биология. – 2013. – Т. 48, № 5. – С. 85–92.

9. Корвиго И.О., Першина Е.В., Иванова Е.А., Матюк Н.С., Савоськина О.А., Чирак Е.Л., Проворов Н.А., Андронов Е.Е. Оценка длительного воздействия агротехнических приемов и сельскохозяйственных культур на почвенные микробные сообщества // Микробиология. – 2016. – Т. 85, № 2. – С. 199–210.

10. Красильников А.К. Микроорганизмы почв и высшие растения. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 466 с.

11. Роговая С.В., Елсукова Е.Ю., Ананьева Н.Д. Микробный компонент почв и его дыхательная активность в хвойных лесах северо-западного Приладожья // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о земле. – 2016. – № 3. – С. 129–137.

12. Сорокин Н.Д. Микробиологический мониторинг нарушенных наземных экосистем Сибири // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. – 2009. – № 6. – С. 728–733.

13. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. – 2019. – № 9. – С. 1081–1091.

14. Терехова В.А., Прудникова Е.В., Кулачкова С.А., Горленко М.В., Учанов П.В., Сушко С.В., Ананьева Н.Д. Микробиологические показатели агродерново-подзолистых почв разной гумусированности при внесении тяжелых металлов и углеродсодержащих препаратов // Почвоведение. – 2021. – № 3. – С. 372–384.

15. Чернов Т.И., Тхакахова А.К., Лебедева М.П., Железова А.Д., Бгажба Н.А., Кутовая О.В. и др. Микробиомы контрастных по засолению почв солонцового комплекса Волго-Уральского междуречья // Почвоведение. – 2018. – № 9. – С. 1115–1124.

16. Чирак Е.Л., Першина Е.В., Дольник А.С., Кутовая О.В., Василенко Е.С., Когут Б.М., Мерзлякова Я.В., Андронов Е.Е. Таксономическая структура микробных сообществ в почвах различных типов по данным высокопроизводительного секвенирования библиотек гена 16S-рРНК // Сельскохозяйственная биология. – 2013. – Т. 48, № 3. – С. 100–109.

17. Шумилова Л.П., Куимова Н.Г. Изучение микробного сообщества городских почв методом газовой хроматографии масс-спектрометрии // Бюллетень физиологии и патологии дыхания. – 2013. – № 50. – С. 121–125.

18. Alvarez R., Alvarez R., Alvarez C.R., Lorenzo G. Carbon dioxide fluxes following tillage from a mollisol in the Argentine Rolling Pampa // Eur. J. Soil Biol. – 2001. – Т. 37. – С. 161–166. https://doi.org/10.1016/S1164-5563(01)01085-8.

19. Balvanera P., Pfisterer A.B., Buchmann N., He J.S., Nakashizuka T., Raffaelli D., Schmid B. Quantifying the evidence for biodiversity effects on ecosystem functioning and services // Ecology letters. – 2006. – Т. 9, № 10. – С. 1146–1156.

20. Bay G., Lee С., Chen С., Mahal N.K., Castellano M.J., Hofmockel K.S., Halverson L.J. Agricultural management affects the active rhizosphere bacterial community composition and nitrification // Msystems. 2021. – Т. 6, № 5. – С. e00651–21. Doi: 10.1128/mSystems.00651–21.

21. Bonfante P., Venice F. Mucoromycota: going to the roots of plant-interacting fungi // Fungal Biology Reviews. – 2020. – Т. 34, № 2. – С. 100–113.

22. Challacombe J.F., Hesse C.N., Bramer L.M., McCue L.A., Lipton M., Purvine S., Nicora C., Gallegos-Graves L.V., Porras-Alfaro A., Kuske C.R. Genomes and secretomes of Ascomycota fungi reveal diverse functions in plant biomass decomposition and pathogenesis // BMC genomics. – 2019. – Т. 20, № 1. – С. 1–27.

23. Delgado-Baquerizo M. Microbial diversity drives multifunctionality in terrestrial ecosystems // Nature communications. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 10541.

24. Edgar R.C. Search and clustering orders of magnitude faster than BLAST // Bioinformatics. – 2010. – Т. 26, № 19. – С. 2460–2461.

25. Egidi E., Delgado-Baquerizo M., Plett J.M., Wang J., Eldridge D.J., Bardgett R.D., Maestre F.T., Singh B.K. A few Ascomycota taxa dominate soil fungal communities worldwide // Nature communications. – 2019. – Т. 10, № 1. – С. 2369.

26. Frąc M., Hannula S.E., Bełka M., Jędryczka M. Fungal biodiversity and their role in soil health // Front. Microbial. – 2018. – Т. 9. – С. 707. Doi: 10.3389/fmicb.2018.00707.

27. Frey B., Rime T., Phillips M., Stierli B., Hajdas I., Widmer F. Microbial M. diversity in European alpine permafrost and active layers // FEMS microbiology ecology. – 2016. – Т. 92, № 3. – С. fiw018.

28. Graham E.B. et all. Microbes as Engines of Ecosystem Function: When Does Community Structure Enhance Predictions of Ecosystem Processes / E.B. Graham, J.E. Knelman, A. Schindlbacher, S. Siciliano, M. Breulmann, A. Yannare, J.M. Beman, G. Abe, L. Philippot, J. Prosser, A. Foulquier, J.C. Yuste, H.C. Glanville, D.L. Jones, R. Angel, J. Salminen, R.J. Newton, H. Bürgmann, L.J. Ingram, U. Hamer H.M.P. Siljanen K. Peltoniemi, K. Potthast, L. Bañeras, M. Hartmann, S. Banerjee, R. Yu, G. Nogaro, A. Richter, M. Koranda, S.C. Castle, M. Goberna, B. Song, A. Chatterjee, O.C. Nunes, A.R. Lopes, Y. Cao, A. Kaisermann, S. Hallin, M.S. Strickland, J. Garcia-Pausas J. Barba, H. Kang, K. Isobe, S. Papaspyrou, R. Pastorelli, A. Lagomarsino, E.S. Lindström, N. Basiliko, D.R. Nemergut // Front. Microbiol. Sec. Terrestrial Microbiology. – 2016. – 24 February. – Т. 7. – С. 214. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00214.

29. Hartmann A., Schmid M., Van Tuinen D., Berg G. Plant-driven selection of microbes // Plant and Soil. – 2009. – Т. 321. – Pр. 235–257.

30. Hawksworth D.L., Lücking R. Fungal diversity revisited: 2.2 to 3.8 million species // Microbiology spectrum. – 2017. – Т. 5, № 4. – С. 10–1128.

31. Klaubauf S., Inselsbacher E., Zechmeister-Boltenstern S., Wanek W., Gottsberger R., Strauss J. Molecular diversity of fungal communities in agricultural soils from lower Austria // Fungal Div. – 2010. – Т. 44. – С. 65–75. Doi: 10.1007/s13225–010–0053–1.

32. Ling N., Wang T., Kuzyakov Y. Rhizosphere bacteriome structure and funtions // Nature Communications. – 2022. – Т. 13, № 1. – С. 836.

33. Magoč T., Salzberg S.L. FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies // Bioinformatics. – 2011. – Т. 27, № 21. – С. 2957–2963.

34. Magurran A.E. Measuring biological diversity // Current Biology. – 2021. – Т. 31, № 19. – С. R1174-R1177.

35. Marschner P., Yang C.H., Lieberei R., Crowley D.E. Soil and plant specific effects on bacterial community composition in the rhizosphere // Soil biology and biochemistry. – 2001. – Т. 33, № 11. – С. 1437–1445.

36. Morgan J.A., Bending G.D., White P.J. Biological costs and benefits to plant – microbe interactions in the rhizosphere // Journal of experimental botany. – 2005. – Т. 56, № 417. – С. 1729–1739.

37. Navarro-Noya Y.E., Gómez-Acata S., Rojas-Valdez N. Relative impacts of tillage, residue management and crop-rotation on soil bacterial communities in a semi-arid agroecosystem // Soil Biology and Biochemistry. – 2013. – Т. 65. – С. 86–95.

38. Orrù L., Canfora L., Trinchera A., Migliore M., Pennelli B., Marcucci A., Farina R., Pinzari F. How tillage and crop rotation change the distribution pattern of fungi // Frontiers in Microbiology. – 2021. – С. 1469.

39. Prasad P.V., Bheemanahalli R., Jagadish S.K. Field crops and the fear of heat stress – opportunities, challenges and future directions // Field Crops Research. – 2017. – Т. 200. – С. 114–121.

40. Quesada-Moraga E., Garrido-Jurado I., González-Mas N., Yousef-Yousef M. Ecosystem services of entomopathogenic ascomycetes // Journal of Invertebrate Pathology. – 2023. – Т. 201. – С. 108015.

41. Reed H.E., Martiny J.B.H. Testing the functional significance of microbial composition in natural communities // FEMS microbiology ecology. – 2007. – Т. 62, № 2. – С. 161–170.

42. Ritz K., Black H.I.J., Campbell C.D., Harris J.A., Wood C. Selecting biological indicators for monitoring soils: A framework for balancing scientific and technical opinion to assist policy development // Ecological Indicators. – 2009. – Vol. 9. – Pр. 1212–1221. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2009.02.009.

43. Servin J.A., Herbold C.W., Skophammer R.G., Lake J.A. Evidence excluding the root of the tree of life from the actinobacteria // Molecular biology and evolution. – 2008. – Т. 25, № 1. – С. 1–4.

44. Shu X., Zhang K., Zhang Q., Wang W. Changes in the composition of rhizosphere bacterial communities in response to soil types and acid rain // Journal of Environmental Management. – 2023. – Т. 325. – С. 116493.

45. Shuming Mo. et all. Impacts of Crenarchaeota and Halobacterota on sulfate reduction in the subtropical mangrove ecosystem as revealed by SMDB analysis / Mo. Shuming Li. Jinhui, Li. Bin Yu. Ran, Nie. Shiqing, Zhang. Zufan, Kashif. Muhammad He. Sheng, Liao. Jianping, Jiang. Qiong, Shen. Peihong, Yan. Bing, Jiang. Chengjian // BioRxiv. – 2020. – С. 8. Doi: https://doi.org/10.1101/2020.08.16.252635.

46. Simon H.M., Jahn C.E., Bergerud L.T., Sliwinski M.K., Weimer P.J., Willis D.K., Goodman R.M. Cultivation of mesophilic soil crenarchaeotes in enrichment cultures from plant roots // Applied and Environmental Microbiology. – 2005. – Т. 71, № 8. – С. 4751–4760.

47. Sommermann L., Geistlinger J., Wibberg D., Deubel A., Zwanzig J., Babin D., Schlüter A., Schellenberg I. Fungal community profiles in agricultural soils of a long-term field trial under different tillage, fertilization and crop rotation conditions analyzed by high-throughput ITS-amplicon sequencing // PLOS ONE. – 2018. – Т. 13, № 4. – С. e0195345.

48. Stromberger М. Fire vs. Metal: A Laboratory Study Demonstrating Microbial Responses to Soil Disturbances // Journal of Natural Resources and Life Sciences Education. – 2005. – Т. 34, № 1. – С. 1–7. https://doi.org/10.2134/jnrlse.2005.0001.

49. Tedersoo L., Smith M.E. Lineages of ectomycorrhizal fungi revisited: Foraging strategies and novel lineages revealed by sequences from belowground // Fungal Biology Reviews. – 2013. – Т. 27, № 3–4. – С. 83–99.

50. Tedersoo L., Mikryukov V ., Anslan S., Bahram M., Khalid A.N., Adriana Corrales A. The Global Soil Mycobiome consortium dataset for boosting fungal diversity research // Fungal Diversity. – 2021. – Т. 111. – С. 573–588. https://doi.org/10.1007/s13225-021-00493-7.

51. Van Der Heijden M.G.A., Bardgett R.D., Van Straalen N.M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems // Ecology letters. – 2008. – Т. 11, № 3. – С. 296–310.

52. Vancov T., Keen B. Amplification of soil fungal community DNA using the ITS86F and ITS4 primers // FEMS microbiology letters. – 2009. – Т. 296, № 1. – С. 91–96.

53. Vega F .E., Meyling N.V ., Luangsa-ard J.J., Blackwell M. Fungal Entomopathogens // Insect Pathology (Second Edition). – 2012. – С. 171–220.

54. Wang Q., Garrity G.M., Tiedje J.M., Cole J.R. Naive Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy // Applied and environmental microbiology. – 2007. – Т. 73, № 16. – С. 5261–5267.

55. Zharkova E.K. et all. Bacterial communities of Lamiacea L. medical plants: structural features and rhizospyere effect / A.A. Vankova, O.V . Selitskaya, E.L. Malankina, N.V . Drenova, A.D. Zhelezova, Khlyustov V .K. S.L. Belopukhov, A.V . Zhevnerov, L.A. Sviridova, T.N. Fomina, A.V . Kozlov // Microorganisms. – 2023. – Т. 11, № 1. – С. 197.