esoilБюллетень Почвенного института имени В.В. ДокучаеваDokuchaev Soil Bulletin0136-16942312-4202V.V. Dokuchaev Soil Science Institute10.19047/0136-1694-2018-95-125-153esoil-309Research ArticleСтатьиТАКСОНОМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПРОКАРИОТНЫХ СООБЩЕСТВ ПОЧВ РАЗНЫХ БИОКЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНTAXONOMIC STRUCTURE OF PROKARYOTIC COMMUNITIES IN SOILS OF DIFFERENT BIOCLIMATIC ZONESТихоновичИ. А.TikhonovichI. A.

ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии,Россия, 196608 Санкт-Петербург, Пушкин-8, ш. Подбельского, 3

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology,Russia, 196608, Sankt-Peterburg, Pushkin-8, shosse Podbel'skogo, 3

arriam2008@yandex.ruЧерновТ. И.ChernovT. I.

Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia,119017, Moscow, Pyzhevskii, 7

ЖелезоваА. Д.ZhelezovaA. D.

Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia,119017, Moscow, Pyzhevskii, 7

ТхакаховаА. К.TkhakakhovaA. K.

Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia,119017, Moscow, Pyzhevskii, 7

АндроновЕ. Е.AndronovE. E.

ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии,Россия, 196608 Санкт-Петербург, Пушкин-8, ш. Подбельского, 3Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

All-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology,Russia, 196608, Sankt-Peterburg, Pushkin-8, shosse Podbel'skogo, 3V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia,119017, Moscow, Pyzhevskii, 7

https://orcid.org/0000-0002-7977-2358КутоваяО. В.KutovayaO. V.

Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2

V.V. Dokuchaev Soil Science Institute, Russia,119017, Moscow, Pyzhevskii, 7

ВНИИ сельскохозяйственной микробиологииРоссияAll-Russia Research Institute for Agricultural MicrobiologyRussian FederationПочвенный институт им. В.В. ДокучаеваРоссияV.V. Dokuchaev Soil Science InstituteRussian FederationВНИИ сельскохозяйственной микробиологии Почвенный институт им. В.В. ДокучаеваРоссияAll-Russia Research Institute for Agricultural Microbiology V.V. Dokuchaev Soil Science InstituteRussian Federation201801112018095125153Copyright © Тихонович И.А., Чернов Т.И., Железова А.Д., Тхакахова А.К., Андронов Е.Е., Кутовая О.В., 20182018Тихонович И.А., Чернов Т.И., Железова А.Д., Тхакахова А.К., Андронов Е.Е., Кутовая О.В.Tikhonovich I.A., Chernov T.I., Zhelezova A.D., Tkhakakhova A.K., Andronov E.E., Kutovaya O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.esoil.ru/jour/article/view/309

С помощью метода высокопроизводительного секвенирования был проведен полнопрофильный анализ таксономической структуры и разнообразия прокариотных сообществ почв зонального ряда: дерново-подзолистой, темно-серой, чернозема типичного, коричневой почвы, лугово-каштановой почвы и солонца. Определены филумы бактерий, составляющие основную часть почвенного прокариотного сообщества: Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes, Planctomycetes, Proteobacteria и Verrucomicrobia. Во всех почвах доминировали Proteobacteria и Actinobacteria, среди архей – филум Thaumarchaeota. Выявлены тренды изменения представленности филумов в почвах зонального ряда от таежных к сухостепным: уменьшение доли Acidobacteria и увеличение доли Actinobacteria в верхних горизонтах. Были оценены индексы разнообразия прокариотных сообществ генетических горизонтов исследованных почв. Во всех почвах выявлено снижение индексов разнообразия с глубиной залегания горизонта, с редким и небольшим увеличением в нижних структурно-метаморфических (BM), текстурных (BT) или аккумулятивно-карбонатных (BCA) горизонтах. При рассмотрении прокариотных сообществ почв столь разного генезиса не было обнаружено определяющего влияния показателей pH и содержания органического вещества на индексы разнообразия. Различия в таксономической структуре и разнообразии прокариотных сообществ почв разных биоклиматических зон обусловлены совокупностью факторов: разницей в химических и физических свойствах почв, а также в водном и температурном режимах.

Using high-throughput sequencing, we performed a full-profile analysis of the taxonomic structure and diversity of prokaryotic communities of zonal soil series: sod-podzolic, dark gray, typical chernozem, brown soil, meadow-chestnut soil and solonets. Phyla Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes, Gemmatimonadetes, Planctomycetes, Proteobacteria and Verrucomicrobia formed up to 95% of prokaryotic communities in all studied soil horizons. Phyla Proteobacteria and Actinobacteria and archaeal phylum Thaumarchaeota dominated in all soils. We revealed the trends of changes in the representation of bacterial phyla in the soils of the zonal range from taiga to dry-steppe: a decrease of Acidobacteria and an increase of Actinobacteria in the upper horizons. The diversity indices of the prokaryotic communities of different genetic horizons of the studied soils were evaluated. In all soils, a decrease in diversity indices with the depth of the horizon was revealed. In all soils, a decrease in diversity indices with depth of the horizon was found, with a rare and slight increase in some lower horizons: structural metamorphic (BM), textural (BT) or accumulative carbonate (BCA) horizons. When examining the prokaryotic communities of soils with different genesis, no determining influence of pH and organic matter contents on the diversity indices was found. Differences in the taxonomic structure and diversity of prokaryotic communities of soils of different bioclimatic zones were presented due to a combination of factors: the difference in chemical and physical properties of soils, as well as in water and temperature conditions.

секвенированиепрофильное распределение микроорганизмовбактерииархеидерново-подзолистая почватемно-серая почвачернозем типичныйкоричневая почвалугово-каштановая почвасолонецnext-generation sequencingprofile distribution of microorganismsBacteriaArchaeasod-podzolic soildark gray soilchernozembrown soilchestnut soilsolonetsReferencesАндронов Е.Е., Пинаев А.Г., Першина Е.В., Чижевская Е.П. Выделение ДНК из образцов почвы (методические указания). СПб.: ВНИИСХМ РАСХН, 2011. 27 с.Andronov E.E., Pinaev A.G., Pershina E.V., Chizhevskaya E.P. Solation of DNA from soil samples (guidelines), St. Petersburg, 2011, 27 p. (in Russian)Абрукова В.В., Акульшина Е.А., Афанасьева Т.В., Белан B.C. и др. Почвенно-агрономическая характеристика АБС Чашниково. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 95 с.Abrukova V.V., Akul'shina E.A., Afanas'eva T.V., Belan B.C. et al. Soil and agronomical characteristics of Chashnikovo research station, Moscow, 1986, 95 p. (in Russian)Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 272 с.Vorob'eva L.A. Soil chemical analysis, Moscow, 1998, 272 p. (in Russian)Добровольская Т.Г. Структура бактериальных сообществ почв. М.: ИКЦ Академкнига, 2002. 282 с.Dobrovol'skaja T.G. The structure of soil bacterial communities, Moscow, 2002, 282 p. (in Russian)Железова А.Д., Кутовая О.В., Дмитренко В.Н., Тхакахова А.К., Хохлов С.Ф. Оценка количества ДНК разных групп микроорганизмов в генетических горизонтах темно-серой почвы // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2015. 87–98.Zhelezova A.D., Kutovaya O.V., Dmitrenko V.N., Tkhakakhova A.K., Khokhlov S.F. Estimation of DNA quantity in different groups of microorgan-isms within genetic horizons of the dark-gray soil, Dokuchaev Soil Bulletin, 2015, V.78, pp. 87–98.Звягинцев Д.Г., Зенова Г.М. Экология актиномицетов. М.: ГЕОС, 2001. 256 с.Zvjagincev D.G., Zenova G.M. Ecology of actinomycetes, Moscow, 2001, 256 p. (in Russian)Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.Classification and diagnostics of soil Russia. Smolensk, 2004, 342 p. (in Russian)Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 223 с.Classification and diagnostics of USSR soils, Moscow, 1977, 223 p. (in Russian)Манучарова Н.А. Молекулярно-биологические аспекты исследований в экологии и микробиологии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2010. 47 с.Manucharova N.A. Molecular biological aspects of research in ecology and microbiology, Moscow, 2010. 47 p. (in Russian)Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. М.: Медицина для всех,2005. 195 c.Marfenina O.E. Anthropogenic ecology of soil fungi, Moscow, 2005, 195 p. (in Russian)Роде А.А., Польский М.Н. Почвы Джаныбекского стационара, их морфологическое строение, механический и химический состав и физические свойства // Тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 1961. Т. 56. С. 3–214.Rode A.A., Pol'skij M.N. Soils of Dzhanybek research station, their morphology, physical and chemical contents and properties, Trudy Pochvennogo instituta im. V.V. Dokuchaeva, Moscow, 1961, V. 56, pp. 3–214.Панкратов Т.А. Ацидобактерии в микробных сообществах болотных и тундровых лишайников // Микробиология. 2012. Т. 81. № 1. С. 56–63Pankratov T.A. Acidobacteria in microbial communities of the bog and tundra lichens, Microbiology, 2012, V. 81, № 1, P. 51–58Сапанов М.К. Синхронность изменения уровней Каспийского моря и грунтовых вод в Северном Прикаспии во второй половине XX в. // Известия РАН. Сер. географическая. 2007. № 5. С. 82–87.Sapanov M.K. Synchronism of changes in the levels of the Caspian Sea and groundwater in the Northern Caspian in the second half of the 20th century, Izvestija RAN. Serija geograficheskaja, 2007, № 5, pp. 82–87 (in Russian)Хитров Н.Б., Понизовский А.А. Руководство по лабораторным методам исследования ионно-солевого состава нейтральных и щелочных минеральных вод. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 1990. 236 с.Khitrov N.B., Ponizovskij A.A. Guidelines for laboratory methods for estimation of salt and ion contents in neutral and alkaline mineral waters, Moscow, 1990, 236 p. (in Russian)Чевердин Ю.И. Изменения свойств почв юго-востока Центрального Черноземья под влиянием антропогенного воздействия. Каменная Степь: Ис-токи, 2013. 335 с.Cheverdin J.I. Changes of soil properties in the East-South of Central Chernozem Region under anthropogenic influence, Kamennaja Step', 2013, 335 p. (in Russian)Чернов Т.И., Тхакахова А.К., Кутовая О.В. Оценка различных индексов разнообразия для характеристики почвенного прокариотного сообщества по данным метагеномного анализа // Почвоведение. 2015. № 4. С. 462–468.Chernov T.I., Tkhakakhova A.K., Kutovaya O.V. Assessment of diversity indices for the characterization of the soil prokaryotic community by meta-genomic analysis, Eurasian Soil Science, 2015, V. 48, No. 4, pp. 410–415.Чирак Е.Л., Першина Е.В., Дольник А.С., Кутовая О.В. и др. Таксономическая структура микробных сообществ в почвах различных типов по данным высокопроизводительного секвенирования библиотек гена 16S рРНК // Сельскохозяйственная биология. 2013. № 3. С. 100–109.Chirak E.L., Pershina E.V., Dol'nik A.S., Kutovaya O.V. et al. Taxonomic structure of microbial association in different soils investigated by high through-put sequencing of 16S rRNA gene libraries, Sel'skohozjajstvennaja biologija, 2013, No. 3, pp. 100–109 (in Russian)Basak B.B., Biswas D.R. Co-inoculation of potassium solubilizing and nitro-gen fixing bacteria on solubilization of waste mica and their effect on growth promotion and nutrient acquisition by a forage crop // Biology and Fertility of Soils. 2010. V. 46. № 6. P. 641–648.Basak B.B., Biswas D.R. Co-inoculation of potassium solubilizing and nitrogen fixing bacteria on solubilization of waste mica and their effect on growth promotion and nutrient acquisition by a forage crop, Biology and Fertility of Soils, 2010, V. 46, No. 6, pp. 641–648.Bates S.D. Berg-Lyons J.G. Caporaso W.A., et al Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil // The ISME Journal. 2011. V. 5. P. 908–917Bates S.T., Berg-Lyons D., Caporaso J.G., Walters W.A. et al. Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil, The ISME Journal, 2011, V. 5, pp. 908–917Blume E., Bischoff M., Reichert J.M., Moorman T. et al Surface and subsurface microbial biomass, community structure and metabolic activity as a function of soil depth and season. // Appl. Soil Ecol. 2002. V. 20. P. 171–181.Blume E., Bischoff M., Reichert J.M., Moorman T. et al. Surface and sub-surface microbial biomass, community structure and metabolic activity as a function of soil depth and season, Appl. Soil Ecol., 2002, 20, pp.171–181.Bru D., Ramette A., Saby N.P., Dequiedt S. Determinants of the distribution of nitrogen-cycling microbial communities at the landscape scale // ISME Journal. 2011. V. 5 P. 532–542.Bru D., Ramette A., Saby N. P., Dequiedt S. Determinants of the distribution of nitrogen-cycling microbial communities at the landscape scale, The ISME Journal, 2011, V. 5, pp. 532–542.Caporaso J.G., Kuczynski J., Stombaugh J. et al. QIIME allows analysis of high throughput community sequencing data // Nature methods. 2010. V. 7. No. 5. P. 335–336Caporaso J.G., Kuczynski J., Stombaugh J. et al. QIIME allows analysis of high throughput community sequencing data, Nature methods, 2010, V. 7, No. 5, pp. 335–336Daniel R. The metagenomics of soil // Nature Reviews Microbiology. 2005. V. 3. P. 470–478.Daniel R. The metagenomics of soil, Nature Reviews Microbiology, 2005, V. 3, pp. 470–478.Dedysh S.N., Sinninghe Damsté J.S., Acidobacteria // eLS 2018. P. 1–10. doi:10.1002/9780470015902.a0027685Dedysh S.N., Sinninghe Damsté J.S., Acidobacteria, eLS, 2018. pp. 1–10. doi:10.1002/9780470015902.a0027685Drenovsky R.E., Vo D., Graham K.J., Scow K.M. Soil water content and organic carbon availability are major determinants of soil microbial community composition // Microbial Ecology. 2004. V. 48. P. 424–430.Drenovsky R.E., Vo D., Graham K.J., Scow K.M. Soil water content and organic carbon availability are major determinants of soil microbial community composition, Microbial Ecology, 2004, V. 48, pp. 424–430.Eilers K.G., Debenport S., Anderson S., Fierer N. Digging deeper to find unique microbial communities: The strong effect of depth on the structure of bacterial and archaeal communities in soil // Soil Biol. Biochem. 2012. V. 50. P. 58–65.Eilers K.G., Debenport S., Anderson S., Fierer N. Digging deeper to find unique microbial communities: The strong effect of depth on the structure of bacterial and archaeal communities in soil. Soil Biol. Biochem., 2012, V. 50, pp. 58–65.Fierer N., Jackson J. A., Vilgalys R., Jackson R.B. Assessment of soil microbial community structure by use of taxon-specific quantitative PCR assays // Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71 P. 4117–4120.Fierer N., Jackson J.A., Vilgalys R., Jackson R.B. Assessment of soil microbial community structure by use of taxon-specific quantitative PCR assays, Applied and Environmental Microbiology, 2005, V. 71, pp. 4117–4120.Fierer N., Schimela J.P., Holden P.A. Variations in microbial community composition through two soil depth profiles // Soil Biol. Biochem. 2003. P.167–176.Fierer N., Schimela J.P., Holden P.A. Variations in microbial community composition through two soil depth profiles, Soil Biol. Biochem., 2003, pp.167–176.Jones R.T., Robeson M.S., Lauber C.L., Hamady M.A comprehensive survey of soil acidobacterial diversity using pyrosequencing and clone library analyses // The ISME J. 2009. V. 4. P. 442–453.Jones R.T., Robeson M.S., Lauber C.L., Hamady M. A comprehensive survey of soil acidobacterial diversity using pyrosequencing and clone library analyses, The ISME Journal, 2009., V. 4, pp. 442–453.Lauber C.L., Hamady M., Knight R, Fierer N. Pyrosequencing-based assessment of soil pH as a predictor of soil bacterial community structure at the continental scale // Applied and Environmental Microbiology. 2009. V. 75. No. 15. P. 5111–5120.Lauber C.L., Hamady M., Knight R., Fierer N. Pyrosequencing-based assessment of soil pH as a predictor of soil bacterial community structure at the continental scale, Applied and Environmental Microbiology. 2009. V. 75. No. 15. pp. 5111–5120.Leininger S., Urich T., Schloter M., Schwark L. Archaea predominate among ammonia-oxidizing prokaryotes in soils // Nature. 2006. V. 442. P. 806–809.Leininger S., Urich T., Schloter M., Schwark L. Archaea predominate among ammonia-oxidizing prokaryotes in soils, Nature. 2006. V. 442. pp. 806–809.Semenov M.V., Chernov T.I., Tkhakakhova A.K., Zhelezova A.D. et al. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century // Appl. Soil Ecol. 2018 I. 127. P. 8–18.Semenov M.V., Chernov T.I., Tkhakakhova A.K., Zhelezova A.D. et al. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century, Appl. Soil Ecol. 2018. No. 127. pp. 8–18.Torsvik V., Øvreås L. Microbial diversity and function in soil: from genes to ecosystems // Current Opinion in Microbiology. 2002. V. 5. I. 3. P. 240–245.Torsvik V., Øvreås L. Microbial diversity and function in soil: from genes to ecosystems, Current Opinion in Microbiology. 2002. V. 5. No. 3. pp. 240–245.Wardle D.A. Communities and Ecosystems: Linking the Aboveground and Belowground Components / Princeton, New Jersey, USA: Princeton University Press, 2002. 408 pWardle D.A. Communities and Ecosystems: Linking the Aboveground and Belowground Components / Princeton, New Jersey, USA: Princeton University Press, 2002. 408 p.Zehnder G.W., Murphy J.F., Sikora E.J., Kloepper J.W. Application of Rhizobacteria for induced resistance // European Journal of Plant Pathology. 2001. V. 107. № 1. P. 39–50.Zehnder G.W., Murphy J.F., Sikora E.J., Kloepper J.W. Application of Rhizobacteria for induced resistance, European Journal of Plant Pathology, 2001, V. 107, No. 1, pp. 39–50.IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome. 2014. 181 p.IUSS Working Group WRB. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome. 2014. 181 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.