Исследование изменений метагенома почв Крыма при различных системах земледелия

Жизнедеятельность микроорганизмов - это один из важнейших факторов, влияющих на уровень плодородия почвы. Микроорганизмы участвуют в преобразовании минеральных и органических соединений, синтезируют биологически активные вещества (антибиотики, витамины, гормоны, токсины и другие), изменяют физико-химические свойства почвы, стимулируют или ингибируют рост растительных организмов. Современные агротехнологии в условиях интенсивного земледелия является решающим фактором, определяющим активность и направленность биологических процессов. Применение повышенных доз минеральных удобрений, интенсивные способы обработки, мелиорация и т.п. значительно активизируют процессы минерализации свежего органического вещества и гумуса, что сопровождается уменьшением его запасов в почвах. В связи с этим оценка микробиологического состояния почвы в условиях применения современных технологий обработки почвы сможет определить наиболее перспективные агромероприятия ведения сельского хозяйства Крыма, как в экономическом, так и экологическом аспектах. В рамках проекта будут определены разнообразие микроорганизмов, а также их функциональная активность в почвах Крыма при разных системах земледелия. Полученные результаты, а также перспективы дальнейших исследований будут обсуждены на школе молодых ученых.

В результате исследований по данным анализа метагенома 16S pРНК проведена оценка изменений почвенного микробиома участков чернозема южного и темно-каштановой почвы с использованием различных систем земледелия (традиционная, на основе вспашки, и No-till) в сравнении с целинной почвой. В почвах выявлены представители четырнадцати фил, шестидесяти двух семейств и более ста родов. Доминировали в почвах представители фил Proteobacteria, Actinobacteria и Crenarchaeota (археи). В темно-каштановой почве по численности преобладали филы Proteobacteria (51.1 %), Acidobacteria (5.8 %), Gemmatimonadetes (3.9 %) и Firmicutes (1.9 %), тогда как в черноземе южном – Actinobacteria (30.8 %) и Crenarchaeota (15.9 %). Установлено, что системы земледелия существенно влияют на изменения почвенного метагенома. Традиционная система земледелия, как и No-till, увеличивают численность представителей архей и снижают бактериальной филы Acidobacteria. Система земледелия No-till способствует увеличению доли представителей филы Actinobacteria, что может быть обусловлено накоплением растительных остатков. Применение вспашки на черноземе южном снижает численность представителей филы Actinobacteria и увеличивает – Proteobacteria, тогда как в темно-каштановой почве прослеживаются обратные тенденции. Исследования показали, что род Bradyrhizobium подвержен влиянию возделывания почвы: более резкое снижение численности бактерий отмечено в черноземе южном от 0.7 % (целина) до 0.1 % (вспашка), чем в темно-каштановой (от 0.5 % до 0.2 %). Такое же воздействие оказала вспашка в условиях темно-каштановой почвы на ацидобактерии родов Solibacter (от 1.3 до 0.4 %) и Koribacter (от 8.3 до 0.2 %). Количество бактерий родов Achromobacter и Pseudomonas возрастало под влиянием вспашки. Относительная устойчивость к воздействию систем земледелия отмечена у родов Bacillus и Paenibacillus. Анализ влияния систем земледелия на изменение почвенного микробиома чернозема южного показал, что по разнообразию фил микроорганизмов микробиомы целины и обрабатываемой почвы не схожи между собой (уровень сходства 0,1). Системы земледелия вспашка и No-till имеют слабое сходство (уровень сходства 0,3). Система земледелия No-till, применяемая с 2006 и 2007 годов имеет самый высокий в опыте уровень сходства 0,6. Таким образом, в рамках проекта определены изменения в составе микробиоты, а также ее функциональной активности, и определены оптимальные условия в почвах Крыма для реализации продуктивного потенциала растений при применении различных агротехнологий. Полученные результаты свидетельствуют о том, что ведение современных систем земледелия, в частности No-till 7-8 лет, формируют условия, благоприятные для реализации растительно-микробного взаимодействия, о чем свидетельствует увеличение ферментативной активности почвы ризосферы. Продуктивность растений остается на уровне традиционной системы земледелия. Показано, что экологически более обоснованная система земледелия No-till далека от природной (целины), по причине как недостаточного времени на восстановление, так и протекания процессов и их направленности при выращивании растений севооборота. Учитывая, что наиболее полными изменения при No-till происходят после десяти лет ее внедрения, а также почвенное разнообразие региона, считаем целесообразным продолжить исследования.