Разнообразие фосформобилизующих, азотфиксирующих и патогенных бактерий в почвах возделываемых полей Свердловской области

Актуальность. Доступность органических веществ и патогенность среды — ключевые факторы для роста растений. Фосфатмобилизующие бактерии переводят фосфаты в доступную форму. Азотфиксирующие бактерии обеспечивают растения азотом. Бактериальные инфекции ослабляют растения и вызывают их гибель и потерю урожая. Современные технологии секвенирования ускоряют изучение микробного разнообразия. Цель работы — оценить присутствие фосфори азотмобилизующих бактерий, а также патогенов, поражающих картофель, на возделываемых угодьях Свердловской области.

Методы. В статье рассмотрены характеристика почв Свердловской области, их минеральный и органический состав и бактериальное разнообразие. Исследования проводились на дерново-подзолистых почвах, где определялись содержание гумуса, уровень кислотности и содержание питательных веществ. Анализ микробиологического состава почв включал секвенирование и фильтрацию данных 16S рРНК.

Результаты. Было обнаружено, что бактерии, участвующие в мобилизации фосфора и фиксации азота, составляют значимую часть микробного сообщества, свыше 12% относительного обилия приходится на эти группы. Распределение этих бактерий по полям показало отсутствие значимых различий в их относительной численности и видовом составе. Не было обнаружено значимых корреляций между видовым богатством бактерий и минеральным составом почвы. Однако корреляционный анализ относительных обилий родов Agrobacterium, Rhizobium, Bradyrhizobium, Phyllobacterium, Arthrobacter и Phyllobacterium продемонстрировал значимую связь этих родов к кислотности почвы, содержанию общего и легкогидролизуемого азота. Качественный анализ выявил наличие патогенных бактерий, вызывающих бактериозы картофеля, таких как Ralstonia solanacearum, Pectobacterium carotovorum, Liberibacter crescens, Streptomyces sp.

1. Pan L., Cai B. Phosphate-Solubilizing Bacteria: Advances in Their Physiology, Molecular Mechanisms and Microbial Community Effects. Microorganisms. 2023; 11(12): 2904. https://doi.org/10.3390/microorganisms11122904

2. Liang J.-L. et al. Novel phosphate-solubilizing bacteria enhance soil phosphorus cycling following ecological restoration of land degraded by mining. The ISME Journal. 2020; 14(6): 1600–1613. https://doi.org/10.1038/s41396-020-0632-4

3. Chung H. et al. Isolation and characterization of phosphate solubilizing bacteria from the rhizosphere of crop plants of Korea. Soil Biology and Biochemistry. 2005; 37(10): 1970–1974. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.02.025

4. Sharma S.B., Sayyed R.Z., Trivedi M.H., Gobi T.A. Phosphate solubilizing microbes: sustainable approach for managing phosphorus deficiency in agricultural soils. SpringerPlus. 2013; 2: 587. https://doi.org/10.1186/2193-1801-2-587

5. Korir H., Mungai N.W., Thuita M., Hamba Y., Masso C. Co-inoculation Effect of Rhizobia and Plant Growth Promoting Rhizobacteria on Common Bean Growth in a Low Phosphorus Soil. Frontiers in Plant Science. 2017; 8: 141. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00141

6. Rawat P., Das S., Shankhdhar D., Shankhdhar S.C. Phosphate-Solubilizing Microorganisms: Mechanism and Their Role in Phosphate Solubilization and Uptake. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2021; 21(1): 49–68. https://doi.org/10.1007/s42729-020-00342-7

7. Yañez-Ocampo G. et al. Isolated Phosphate-Solubilizing Soil Bacteria Promotes In vitro Growth of Solanum tuberosum L. Polish Journal of Microbiology. 2020; 69(3): 357–365. https://doi.org/10.33073/pjm-2020-039

8. Pantigoso H.A., He Y., Manter D.K., Fonte S.J., Vivanco J.M. Phosphorus-solubilizing bacteria isolated from the rhizosphere of wild potato Solanum bulbocastanum enhance growth of modern potato varieties. Bulletin of the National Research Centre. 2022; 46: 224. https://doi.org/10.1186/s42269-022-00913-x

9. Ahemad M., Kibret M. Mechanisms and applications of plant growth promoting rhizobacteria: Current perspective. Journal of King Saud University — Science. 2014; 26; 1–20. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2013.05.001

10. Sharma P.K., Kundu B.S., Dogra R.C. Molecular mechanism of host specificity in legume-rhizobium symbiosis. Biotechnology Advances. 1993; 11(4): 741–779. https://doi.org/10.1016/0734-9750(93)90002-5

11. Estrada-De Los Santos P., Bustillos-Cristales R., Caballero-Mellado J. Burkholderia, a Genus Rich in Plant-Associated Nitrogen Fixers with Wide Environmental and Geographic Distribution. Applied and Environmental Microbiology. 2001; 67(6): 2790–2798. https://doi.org/10.1128/AEM.67.6.2790-2798.2001

12. Dalsing B.L., Truchon A.N., Gonzalez-Orta E.T., Milling A.S., Allen C. Ralstonia solanacearum Uses Inorganic Nitrogen Metabolism for Virulence, ATP Production, and Detoxification in the OxygenLimited Host Xylem Environment. mBio. 2015; 6(2): e02471-14. https://doi.org/10.1128/mBio.02471-14

13. Masepohl B. et al. Regulation of Nitrogen Fixation in the Phototrophic Purple Bacterium Rhodobacter capsulatus. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. 2002; 4(3): 243–248

14. Parro V., Moreno-Paz M. Nitrogen fixation in acidophile ironoxidizing bacteria: The nif regulon of Leptospirillum ferrooxidans. Research in Microbiology. 2004; 155(9): 703–709. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2004.05.010

15. Еланский С.Н. (ред.). Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков. М.: Картофелевод. 2009; 270. ISBN 978-5-903906-02-4 https://www.elibrary.ru/qladmr

16. Charkowski A., Sharma K., Parker M.L., Secor G.A., Elphinstone J. Bacterial Diseases of Potato. Campos H., Ortiz O. (eds.). The Potato Crop.Its Agricultural, Nutritional and Social Contribution to Humankind. Cham: Springer. 2020; 351–388. https://doi.org/10.1007/978-3-030-28683-5_10

17. Pérombelon M.C.M. Potato diseases caused by soft rot erwinias: an overview of pathogenesis. Plant Pathology. 2002; 51(1): 1–12. https://doi.org/10.1046/j.0032-0862.2001.Shorttitle.doc.x

18. Kim H.-S., Ma B., Perna N.T., Charkowski A.O. Phylogeny and Virulence of Naturally Occurring Type III Secretion System-Deficient Pectobacterium Strains. Applied and Environmental Microbiology. 2009; 75(13): 4539–4549. https://doi.org/10.1128/AEM.01336-08

19. van der Waals J.E., Krüger K. Emerging potato pathogens affecting food security in southern Africa: Recent research. South African Journal of Science. 2020; 116(11–12): 8055. https://doi.org/10.17159/sajs.2020/8055

20. Mora V. et al. Potato Zebra Chip: An Overview of the Disease, Control Strategies, and Prospects. Frontiers in Microbiology. 2021; 12: 700663. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.700663

21. Schaad N.W., Berthier-Schaad Y., Sechler A., Knorr D. Detection of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in Potato Tubers by BIO-PCR and an Automated Real-Time Fluorescence Detection System. Plant Disease. 1999; 83(12): 1095–1100. https://doi.org/10.1094/PDIS.1999.83.12.1095

22. Prieto M.C., Lapaz M.I., Lucini E.I., Pianzzola M.J., Grosso N.R., Asensio C.M. Thyme and suico essential oils: promising natural tools for potato common scab control. Plant Biology. 2020; 22(1): 81–89. https://doi.org/10.1111/plb.13048

23. Shi H., Li W., Zhou Y., Wang J., Shen S. Can we control potato fungal and bacterial diseases? — microbial regulation. Heliyon. 2023; 9(12): e22390. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e22390

24. Шанина Е.П., Лиходеевский Г.А. Бактериальное сообщество сельскохозяйственных почв, используемых для возделывания картофеля в Свердловской области. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2023; 24(6): 989–998. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2023.24.6.989-998

25. Linz A.M. et al. Bacterial Community Composition and Dynamics Spanning Five Years in Freshwater Bog Lakes. mSphere. 2017; 2(3): e00169-17. https://doi.org/10.1128/mSphere.00169-17

26. Лукин С.В., Четверикова Н.C., Ероховец М.А. Агроэкологическая оценка содержания азота в сельскохозяйственных растениях и почвах Белгородской области. Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2011; (21): 95–101. https://www.elibrary.ru/orqsvn

27. Glenn A.R., Reeve W.G., Tiwari R.P., Dilworth M.J. Acid Tolerance in Root Nodule Bacteria. Chadwick D.J., Cardew G. (eds.). Bacterial Responses to pH. Novartis Foundation Symposium. John Wiley & Sons. 1999; 221: 112–130. https://doi.org/10.1002/9780470515631.ch8

28. Morón B. et al. Low pH Changes the Profile of Nodulation Factors Produced by Rhizobium tropici CIAT899. Cell Chemical Biology. 2005; 12(9): 1029–1040. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2005.06.014

29. Yuan Z.-C., Liu P., Saenkham P., Kerr K., Nester E.W. Transcriptome Profiling and Functional Analysis of Agrobacterium tumefaciens Reveals a General Conserved Response to Acidic Conditions (pH 5.5) and a Complex Acid-Mediated Signaling Involved in Agrobacterium-Plant Interactions. Journal of Bacteriology. 2008; 190(2): 494–507. https://doi.org/10.1128/JB.01387-07

30. 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; 27(2): 108948. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.108948

31. He T., Xie D., Ni J., Li Z., Li Z. Characteristics of nitrogen transformation and intracellular nitrite accumulation by the hypothermia bacterium Arthrobacter arilaitensis. Science of The Total Environment. 2020; 701: 134730. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134730

32. Liu Y. et al. Spatial and temporal conversion of nitrogen using Arthrobacter sp. 24S4-2, a strain obtained from Antarctica. Frontiers in Microbiology. 2023; 14: 1040201. https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1040201

33. Eren Eroğlu A.E., Eroğlu V., Yaşa İ. Genomic Insights into the Symbiotic and Plant Growth-Promoting Traits of “Candidatus Phyllobacterium onerii” sp. nov. Isolated from Endemic Astragalus flavescens. Microorganisms. 2024; 12(2): 336. https://doi.org/10.3390/microorganisms12020336