Метагеномика с разрешением до генома выявляет различия в стратегиях усвоения фосфора микробиомами почв

Повышение растворимости фосфатов в почве — перспективный путь к устойчивому развитию сельского хозяйства, однако механизмы адаптации микроорганизмов к различной доступности фосфора изучены недостаточно. Сочетая метагеномику с разрешением до генома и секвенирование ампликонов, мы исследовали микробные механизмы круговорота фосфора при трёх вариантах ведения сельского хозяйства в системе севооборота пшеница—кукуруза и двух вариантах естественного восстановления леса. Доступный фосфор почвы был ключевым фактором, определявшим состав и функции бактериальных и грибковых сообществ как на сельскохозяйственных участках, так и на участках восстановления леса. В агроэкосистемах растворение фосфатов микроорганизмами обеспечивали мембраносвязанная хинонзависимая глюкозодегидрогеназа (PQQGDH) и экзополифосфатазы (PPX). Напротив, в почвах на участках восстановления леса содержание генов переносчиков глицерол-3-фосфата (ugpB, ugpC и ugpQ) было значительно выше. Ген gcd, кодирующий PQQGDH, оказался наиболее надёжным показателем содержания биодоступного фосфора в почве. В сельскохозяйственных почвах были получены собранные из метагеномов геномы (MAGs), относящиеся к семействам Cyclobacteriaceae и порядку Vicinamibacterales. В этих MAGs присутствовал не только ген gcd, но и ген pit, кодирующий переносчики фосфата с низким сродством. MAGs из почв на участках восстановления леса относились к порядкам Microtrichales и Burkholderiales. В них обнаруживались гены ugp, но отсутствовал gcd, что указывает на стратегию усвоения фосфата с помощью переносчиков. Наше исследование показывает, что знание различий в стратегиях усвоения фосфора микроорганизмами сельскохозяйственных почв и почв на участках восстановления леса может помочь связать микробные процессы с круговоротом фосфора.

Значимость: Почвенный микробиом играет ключевую роль в регуляции процессов круговорота фосфора. Выявление бактерий, растворяющих фосфаты, и их использование для высвобождения труднорастворимых фосфатов, связанных с горными породами или минералами, может способствовать улучшению усвоения питательных веществ культурами и повышению их продуктивности. В этом исследовании мы сочетали функциональную метагеномику и секвенирование ампликонов, чтобы проанализировать процессы микробного круговорота фосфора в естественно восстанавливающихся лесных и сельскохозяйственных почвах. Мы обнаружили, что стратегии усвоения фосфора в этих двух экосистемах существенно различались. В сельскохозяйственных почвах преобладала стратегия микробного растворения фосфатов, а в почвах на участках восстановления леса — стратегия их переноса. Кроме того, мы выявили таксоны микроорганизмов, способствующие усилению растворения фосфатов в агроэкосистеме. Предполагается, что эти микроорганизмы могут повышать биодоступность фосфатов при ведении сельского хозяйства.