ИСТИНА

Выяснение свойств почв, способствующих формированию и сохранению биоразнообразия, получение культур микроорганизмов, обладающих биотехнологическим потенциалом (способность азотфиксации, гидролитической деятельности природных полимеров и ксенобиотиков, синтез вторичных метаболитов, веществ- антагонистов)

Modern biotechnology considers the soil as the main natural Bank in the search for microbial cultures with any necessary properties. The existence of an even greater variety of organisms is inextricably linked to the soil, as it is a necessary environment for the stages of the life cycle. The phenomenon of uncultivated microorganisms suggests that the true diversity of soil biota significantly exceeds current estimates. Finding out the properties of soils that contribute to the formation and preservation of biodiversity, obtaining cultures of microorganisms with biotechnological potential (the ability of nitrogen fixation, hydrolytic activity of natural polymers and xenobiotics, synthesis of secondary metabolites, substances - antagonists) is the most important scientific problem of modern biology and soil science. Soils and soil-associated substrates are an inexhaustible source of strains with useful properties for biotechnology, a source for detecting and describing many unknown life forms. For the conservation of biodiversity, the protective function of the soil is of great importance – the preservation in a viable state of various organisms that are going through stages. Microorganisms isolated from extreme habitats are of considerable interest, since they are, according to some authors, characterized by higher biological activity compared to strains isolated from soils of temperate latitudes. An important problem facing soil microbiologists is the study and preservation of the uncultivated part of the microbial community (the"silent majority of the soil community") of extreme and anthropogenic undisturbed (the territory of nature reserves and nature reserves) soil habitats. The problem is of both practical (identification of BAS producers) and theoretical interest (study of new previously unexplored prokaryotic taxa). The scientific novelty of the research is due to the unique collection of samples of extreme ecosystems selected in different parts of the World and isolated bacteria from them. Previously conducted studies were performed on a limited set of cultures, screening of a large collection provided for in this work is performed for the first time. The novelty of the developed approach consists in the possibility of enhancing the biotechnological properties of microorganisms by introducing highly active breeding strains and creating conditions for their activity in natural systems and agrocenoses. Currently, the Department of soil biology has a significant number of strains that exhibit high biological activity in relation to processes related to the nitrogen cycle (nitrogen fixation, nitrification), destruction of petroleum products, pesticides, destruction (hydrolysis) natural polymers, producers of phytohormones and antagonists of phytopathogens. In the course of research, it is planned to evaluate the diversity of the microbial complex, including prokaryotic (bacteria and archaea) and eukaryotic (fungi, yeast) components; to identify the ability of systems to processes aimed at the destruction of hard-to-reach compounds, the transformation of oxidized and reduced forms of nitrogen (nitrogen fixation, nitrification), and the synthesis of secondary metabolites; to determine the presence of functional genes in microorganisms with biotechnological potential capable of metabolic activity in soils that differ in the parameters of the main environmental factors. It is supposed to store active strains at low temperatures and monitor their viability and preservation of useful properties by modern cytological and molecular biological methods.

В процессе выполнения проекта планируется комплексная оценка разнообразия микробного комплекса, включающая прокариотную (бактерии и археи) его составляющую; выявление способности систем к процессам, направленным на деструкцию труднодоступных соединений (углеводороды, биополимеры), трансформацию окисленных и восстановленных форм азота (азотфиксация, нитрификация), синтез вторичных метаболитов; определение наличия функциональных генов у микроорганизмов, обладающих биотехнологическим потенциалом способных к метаболической активности в почвах, различающихся параметрами основных экологических факторов. Предполагается закладка на хранение при низких температурах активных штаммов и мониторинг их жизнеспособности и сохранения полезных свойств современными цитологическими и молекулярно-биологическими методами. Важной проблемой, стоящей перед почвенными микробиологами является изучение и сохранение некультивируемой части микробного сообщества («молчаливого большинства почвенного сообщества») экстремальных и антропогенно ненарушенных почвенных местообитаний. Проблема представляет как практический (выявление продуцентов БАВ), так и теоретический интерес (изучение новых неисследованных ранее таксонов прокариот). При анализе функционального генетического разнообразия сообщества методом восстановления полного метагенома по данным высокопроизводительного секвенирования авторами проекта было установлено, что количество генов, маркирующих способность сообщества к биодеградации ксенобиотиков выше в реликтовых образцах по сравнению с современными. Инициация системы ресурсом увеличивает долю генов, ответственных за деградацию ксенобиотиков. Так, например, при внесении полисахарида повышается количество генов, ответственных за деградацию полициклических ароматических углеводородов. Тем не менее стоит заметить, что присутствие функционального гена не обязательно означает его активность, однако позволяет говорить о потенциальной возможности к осуществлению процессов, кодируемых данными генами. Выявленное возрастание потенциальной активности сообществ по мере увеличения степени «законсервированности» говорит о высоком биотехнологическом потенциале реликтовых микробных сообществ и открывает возможности для биотехнологического использования штаммов, выделенных из реликтовых местообитаний. Новизна разработанного подхода состоит в возможности усиления биотехнологических свойств микроорганизмов путем интродукции высокоактивных селекционных штаммов и создания условий для их деятельности в природных системах и агроценозах. Последовательное применение процедур реактивации клеток покоящегося сообщества и инициации развития физиологической группы гидролитиков позволило авторам проекта обнаружить прокариотный комплекс, способный к реверсии метаболической деятельности (Манучарова и др., 2016). В образцах криосферы и погребенных палеопочв реактивировано прокариотное мезофильное органотрофное сообщество. Определена структура и выявлены специфические особенности функционального микробного комплекса исследуемых образцов. Выявлено, что потенциальная активность микробного гидролитического сообщества возрастает в ряду сообщества современных почв – сообщества погребенных палеопочв. Впервые молекулярно-биологическими методами (метагеномного анализа и гибридизацией клеток in situ) установлены различия в филогенетической структуре прокариотной метаболически активной гидролитической компоненты многолетнемерзлых грунтов и палеопочв. В современных почвах гидролитический комплекс более разнообразен по сравнению с погребенными почвами и криогенными образцами, где в качестве доминантов-гидролитиков выступают представители групп Actinobacteria (как одноклеточные, так и мицелиальные представители), Proteobacteria и Firmicutes. Значимость результатов предполагаемого проекта заключается в проведении оценки потенциальной активности микробных комплексов, способных к деструкции полютантов в наземных экосистемах, развивающихся в широком диапазоне параметров основных экологических факторов (влажности, температуры, окислительно-восстановительного потенциала). Понимание функциональной значимости азотфиксирующей компоненты гидролитических микробных комплексов в наземных экосистемах может составить приоритет мирового уровня и конкуренцию ведущим школам, работающим в этом направлении. Научная новизна исследований обусловлена уникальной коллекцией образцов экстремальных экосистем, отобранных в разных участках Земного шара и выделенных из них бактерий. Проведенные ранее исследования были выполнены на ограниченном наборе культур, скрининг крупной коллекции, предусмотренных в данной работе, производится В силу чрезвычайно высокой гетерогенности почв, в сочетании с широким разнообразием экосистем, подверженных экстремальному воздействию внешних природных факторов, микробное население этих локусов и их физиологические особенности во многом не исследованы (Goodfellow, 2018). Имеющиеся исследования свидетельствуют о присутствии в составе сообществ подобных экосистем организмов с уникальными физиологическими путями, в том числе способствующих росту и развитию растений (Köberl, 2011), важных участников поддержания плодородия почв (Azua-Bustos 2017, Raddadi, 2018) продуцентов новых антибиотиков (Boubetra 2013), продуцентов мощных экзоферментативных метаболитов. Экстремальные среды обитания являются ценным источником ферментов, применимых в прикладных и промышленных областях ( Kulishova LM, Zharkov DO., 2017; Sahay et al., 2017). На сегодняшний день известны прокариоты, выделенные из экстремальных сред, осуществляющие процесс метаногенеза, синтезирующие широкий спектр органических кислот, продуцирующие молекулярный водород, способные к фиксации атмосферного азота в условиях значительно отличающихся от принятых для этих процессов оптимумов, что позволяет вовлекать эти организмы в процессы ремедиации и промышленного синтеза различных веществ (Poli et al., 2017). В последние годы интенсивно изучаются архейные сообщества почв, осуществляющие окисление аммония (Schleper, Nicol, 2010), что изменило представления о микробных процессах трансформации азота в почвах. По данным сравнительного количественного анализа генов из разных типов почв сделан вывод о том, что архейные сообщества являются самой многочисленной группой аммоний окисляющих прокариот в почвах. Интерес к исследованию этой группы организмов определяется не только важнейшей ролью нитрификации в азотном цикле почв, но и решением практических вопросов, например, доступностью азота в условиях пониженной концентрации кислорода, что тормозит не только развитие растений, но и является фундаментальной проблемой низкой эффективности бактериальных препаратов нефтедеструкторов. Анализ современной литературы свидетельствует о высоком микробном потенциале деструкции нефти в почве, который катастрофически снижается из-за формирования анаэробных условий в результате промышленного разлива нефти и нефтепродуктов. В ходе работы предполагается проверить гипотетическую возможность нитрифицирующих архей, обладающих особым метаболическим путем окисления аммония, проводить нитрификацию в условиях пониженной концентрации кислорода, что позволит нефтеокисляющим прокариотам продолжить эффективное окисление нефти с использованием нитратов в качестве конечного акцептора электронов в дыхательной цепи («нитратное дыхание»). Настоящее исследование позволит создать научные основы решения прикладной задачи – повышения эффективности биоремедиации почв от нефтепродуктов. С помощью методов молекулярной биологии будет дана характеристика архейных сообществ почв в условиях загрязнения нефтью. Результаты исследований позволят разработать новые подходы биоремедиации почв от загрязнения углеводородами. Производство высококачественной пищи для быстро растущего населения Земли (7,2 млрд человек в 2015 г., 10 млрд - прогноз на 2025 г.) определяется главным образом увеличением урожайности растений, что в первую очередь зависит от их снабжения азотом. При этом осуществление этого будет происходить в условиях неуклонного сокращения почвенных ресурсов (из-за эрозии, засоления и опустынивания), требующего вовлечения в оборот новых земель, большинство которых мало благоприятно для земледелия. Существующие ныне агротехнологии, односторонне ориентированные на применение всё более возрастающих доз минеральных (в основном, азотных) удобрений, фактически исчерпали себя, во-первых из-за дороговизны и, во-вторых, из-за быстро растущих экологических рисков ("эвтрофикация" водоремов и рост концентрации в атмосфере Земли закиси азота (N2O) - важнейшего "парникового" микрогаза). Альтернативой однозначно считается широкое использование для азотного питания растений бактерий азотфиксаторов (диазотрофов), способных обеспечить безопасное развитие и рост растений за счет гидролитического контроля. Если до недавнего времени основное внимание обращалось на клубеньковые бактерии, полностью снабжающие азотом бобовые растения (т.н. симбиотическая азотфиксация), то в настоящее время доказана возможность улучшения азотного питания широкого круга небобовых растений (т.н. ассоциативная азотфиксация) за счет диазотрофов-гидролитиков.

Исследована структурная организация микробных сообществ разнообразных наземных экосистем. Изучено микробное биоразнообразие наземных экосистем. Создана уникальная коллекция ценных культур почвенных.Сформулированы основные принципы функционирования микробного сообщества почв. Разработана модификация флюоресцентномикроскопического метода анализа гибридизации клеток in situ (FISH) для определения филогенетического положения метаболически активных гидролитических прокариот вертикальных ярусов наземных экосистем – почвенного, наземного (подстилка) и надземного (филлосфера). Обнаружена новая функциональная активность актиномицетов в гидролитическом прокариотном комплексе. Установлена возможность классификации и биодиагностики образцов наземных экосистем по структурному показателю микробного комплекса.

оценки потенциальной активности микробных комплексов, способных к деструкции полютантов в наземных экосистемах, развивающихся в широком диапазоне параметров основных экологических факторов (влажности, температуры, окислительно-восстановительного потенциала). Понимание функциональной значимости азотфиксирующей компоненты гидролитических микробных комплексов в наземных экосистемах может составить приоритет мирового уровня и конкуренцию ведущим школам, работающим в этом направлении. Научная новизна исследований обусловлена уникальной коллекцией образцов экстремальных экосистем, отобранных в разных участках Земного шара и выделенных из них бактерий.