Study of soil and rhizosphere microbiome taxonomic structure in different varieties of Triticum aestivum (wheat) and Secale cereale (rye) cultivated in two types of soil

Abstract

Разнообразие микроорганизмов, ассоциированных с корнями растений, огромно и составляет десятки тысяч видов. Современные молекулярно-биологические методы анализа биоразнообразия микробных сообществ, в первую очередь метагеномный анализ, сделали возможным исследование структуры ризосферных микробиомов во всей ее полноте с учетом не только культивируемых, но и некультивируемых форм микроорганизмов. Данная работа посвящена исследованию таксономической структуры почвенного и ризосферного микробиомов двух сортов Triticum aestivum (Пшеница мягкая) и двух сортов Secale cereale (Рожь посевная), культивируемых в черноземной и дерново-подзолистой почвах, посредством пиросеквенирования амплифицированных фрагментов гена 16S рРНК. Был произведен расчет основных показателей биоразнообразия для исследуемых сообществ. Наблюдалась тенденция к снижению индексов видового богатства и Шеннона в почве ризосферы растений по сравнению с контрольными образцами почвы, однако достоверные различия в показателях разнообразия были выявлены только для ризосфер пшеницы на черноземной почве. В ходе сравнительного анализа микробиомов ризосферы и контрольных почв было показано, что определяющим фактором при формировании таксономической структуры сообществ ризосферы является тип почвы. В меньшей степени на состав ризосферного микробиома влияют такие факторы как вид и сорт культивируемого растения. В работе также рассматривается проблема воспроизводимости данных пиросеквенирования и даются рекомендации по увеличению числа повторностей опыта в зависимости от типа исследуемой почвы – для черноземных почв число повторностей должно быть увеличено с 4 до, по меньшей мере, 7, а в случае дерново-подзолистой – до 5-6 повторностей. Были выявлены группы бактерий, доля которых достоверно не изменялась в повторностях опыта. Среди этой группы были идентифицированы таксоны, достоверно изменяющие свою численность в ризосфере растений по сравнению с контрольными образцами почвы, среди них бактерии из таких семейств как Gaiellaceae ,Oxalobacteraceae, Micrococcaceae, Comamonadaceae. Также был обнаружен ряд представителей филы Acidobacteria, в том числе некультивируемых и ранее неидентифицируемых бактерий из класса Acidobacteria-6,увеличивающих свою численность в ризосфере ржи и пшеницы, культивируемых на черноземе, а также в ризосфере пшеницы, культивируемой на дерново-подзолистой почве.

The diversity microorganisms associated with the plant roots is enormous, and comprises tens of thousands of species. Application of the molecular methods for the analysis of biodiversity of microbial communities, especially metagenomic analysis, made it possible to study the rhizosphere microbiome structure in its entirety, taking into account not only cultivated, but also forms of uncultivated microorganisms. The paper presents the results of the study of taxonomic structure of the soil and rhizosphere microbiome of two varieties of Triticum aestivum (bread wheat) and two varieties of Secale cereale (Rye sowing) cultivated in chernozem and sod-podzolic soils by pyrosequencing of amplified fragments of the 16S rRNA gene. The main biodiversity indicators of the studied microbiomes were calculated. There was a decreasing tendency in the value of species richness and Shannon indices in the soil rhizosphere of plants compared with control samples, however, significant differences in terms of diversity have been revealed only in the rhizosphere of wheat cultivated in chernozem. The comparative analysis of the rhizosphere microbiomes and control soil samples revealed that the type of soil was the main factor determining the formation of the taxonomic structure of the rhizosphere communities. To a lesser extent the rhizosphere microbiome composition was determined by such factors as the type and variety of cultivated plants. The paper also addresses the problem of reproducibility of pyrosequencing data and make recommendations to increase the number of replicates depending on the soil type - for the chernozems the number of replicates should be increased from 4 to 7, in the case of sod-podzolic – to 5-6, respectively. Some groups of bacteria, which proportion did not differ significantly in replicates were revealed. Among them microbial taxa changing their abundance significantly in the plant rhizosphere, compared with control samples of soil were revealed, they are: Gaiellaceae ,Oxalobacteraceae, Micrococcaceae, Comamonadaceae. Bacteria belonging to the Acidobacteria, particularly unidentified bacteria from the class Acidobacteria-6, increase their abundance both in the rhizosphere of rye and wheat in chernozem, and in rhyzosphere of wheat in sod-podzolic soil.