Разработка молекулярно-генетического подхода к

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
«ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ имени В.В. ДОКУЧАЕВА»
«РАЗРАБОТКА МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКОГО
ПОДХОДА К МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ ЗДОРОВЬЯ И
РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОЧВ РОССИИ»
Першина Е.В.
Иванова Е.А.
Семенов М.В.
Тхакахова А.К.
Чернов Т.И.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
«ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ имени В.В. ДОКУЧАЕВА»
РЕФЕРАТ-ПРЕЗЕНТАЦИЯ РАБОТЫ
«Разработка молекулярно-генетического подхода к
микробиологической оценке здоровья и ресурсного потенциала почв
России»
Авторский коллектив:
1. Першина Елизавета Владимировна, кандидат биологических наук,
младший научный сотрудник, Федеральное государственное
бюджетное научное учреждение «Всероссийский научноисследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии» руководитель работы
2. Иванова Екатерина Андреевна, кандидат биологических наук,
исполняющий обязанности научного сотрудника, Федеральное
государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский
научно-исследовательский институт сельскохозяйственной
микробиологии»
3. Семенов Михаил Вячеславович, исполняющий обязанности младшего
научного сотрудника, Федеральное государственное бюджетное
научное учреждение «Почвенный институт имени В.В. Докучаева»
4. Тхакахова Азида Климентовна, младший научный сотрудник,
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение
«Почвенный институт имени В.В. Докучаева»
5. Чернов Тимофей Иванович, исполняющий обязанности младшего
научного сотрудника, Федеральное государственное бюджетное
научное учреждение «Почвенный институт имени В.В. Докучаева»
Глобальные изменения природной среды и климата, дефицит
продовольствия
и
энергии,
утрата
биоразнообразия
и
устойчивости
экосистем – важнейшие проблемы текущего столетия. 17 сентября 2013 г.
Генеральная Ассамблея ООН постановила объявить 5 декабря Всемирным
днем почв и провозгласить 2015 год Международным годом почв. Была
подчеркнута важность роли почв в области продовольственной безопасности
и питания, борьбы с изменением климата и обеспечения устойчивого
развития в целом.
В обеспечении здоровья и плодородия почв первостепенная роль
принадлежит
почвенным
микроорганизмам,
активно
участвующим
в
круговороте биофильных элементов и определяющим гомеостаз экосистем.
Почва является не имеющим аналогов в природе банком сохранения
генотипического и фенотипического разнообразия микроорганизмов.
Понимание масштабов разнообразия почвенных микробиомов и его
использование
для
биодиагностики
долгое
время
было
ограничено
методическими возможностями, полноценные исследования в данной
области
стали
возможными
только
с
применением
молекулярно-
генетических методов анализа, достигших своего расцвета при появлении
систем
высокопроизводительного
секвенирования
и
передовых
биоинформатических подходов.
Настоящая работа лежит в
области
разработки
методологических основ организации
массового
метагеномного
мониторинга с целью использования
генетического потенциала почвенного
микробиома
для
оптимизации
сельскохозяйственного
использования
почв
и
охраны
окружающей среды. В соответствии
Полностью
автоматизированная
и
интегрированная
платформа
для
проведения
молекулярно-биологических
реакций в нанолитровых объемах Parallab®
350 Parallabs Inc.
с поставленными задачами на базе ГНУ ВНИИСХМ сформирован центр
коллективного пользования (ЦКП) «геномные технологии».
Авторами разработаны тест-системы для проведения комплексного
биомониторинга почв, включающие отбор проб почвы, их транспортировку,
хранение, выделение ДНК, систему долговременного хранения препаратов
ДНК, приготовление библиотек гена 16S рРНК и их анализ с использованием
секвенаторов нового поколения. Разработаны компьютерные программы,
позволяющие эффективно анализировать большие массивы метагеномных
данных (Першина и др., 2013а), проводить статистический анализ влияния
экологических
микробиомы
модели
факторов
с
на
использованием
линейной
регрессии
(Першина и др., 2013б), методики
бинарного сэмплинга (Думова и
др., 2013) и других оригинальных
подходов. Создана принципиально
новая
операционная
эволюционное
среда
–
пространство
(Дольник и др., 2012, Pershina et al.,
2014)
представляющая
собой
метрическое
Срез
сконструированного
13-мерного многомерное
эволюционного пространства гена 16S рРНК,
пространство для интегральной
эволюционная «свеча». Звездочкой обозначен
предполагаемый общий предок.
оценки сдвигов в структуре
микробиомов и прогнозирования их поведения при глобальном изменении
экологической ситуации.
В последнее десятилетие общемировой тенденцией является сбор и
сохранение информации о генетическом разнообразии природных экосистем,
в частности, в рамках таких крупнейших п роектов, как Earth microbiome
project
(http://www.earthmicrobiome.org/)
(http://www.terragenome.org/).
и
Terragenome
Однако в базах вышеупомянутых проектов практически отсутствует
информация о разнообразии микробиомов почв России, в то время как
Россия является в этом плане универсальной площадкой, т.к. на ее обширной
территории реализовано практически все возможное разнообразие типов
почв. Для проведения исследований в данном направлении совместными
усилиями авторов – сотрудников Почвенного института им. В.В. Докучаева и
ВНИИСХМ в рамках крупных российских проектов, поддержанных РФФИ,
РНФ и Минобрнауки РФ, была создана и постоянно обновляется
коллекция почвенных образцов, насчитывающая уже свыше 700 единиц
хранения. Итогом анализа исследуемых почвенных образцов стало создание
межинститутской
базы
разнообразию
данных
по
таксономической
структуре
и
микробиомов
основных типов почв России.
Проведение метагеномного
анализа
микробных
различных
типов
сообществ
почв
позволило
России
выявить
микроорганизмы-индикаторы
различных процессов (например,
засоления
и
загрязнения
ксенобиотиками),
а
почв
также
разработать ряд методик оценки
воздействия
различных
антропогенных
и
типов
природных
факторов на структуру почвенных
микробных сообществ (Андронов и
др., 2012; Думова и др., 2013;
Першина и др., 2013б).
Предложенные
методы
обладают
новые
высоким
практическим потенциалом и могут
Координаты отбора почвенных проб на
Европейской территории России, основные
типы исследованных почв и визуализация
филогенетического
состава
почвенных
прокариотных сообществ.
быть использованы в различных отраслях науки и производства, а также для
развития программ по сохранению природного биоразнообразия. Созданная
база является, по сути, единственным крупным депозитарием метагеномной
информации о микробиомах почв РФ и стран СНГ.
Эффективность разрабатываемых научных подходов уже была
показана в ходе выполнения пилотных исследований в рамках ряда научных
программ, таких как «Основные факторы, влияющие на формирование
структуры почвенного микробиома по данным высокопроизводительного
секвенирования» (РФФИ, 12-04-01371-а), «Разработка метода массового
метагеномного скрининга почв сельскохозяйственного назначения в целях
оптимизации их использования» (ГК № 16.512.11.2132), грантов РНФ 14-2600094 и 14-26-00079). Однако, для внедрения разработанных технологий в
производство необходимы два условия. Первое условия - консолидация
различных научных коллективов и развитие метагеномного направления в
российской науке, которое невозможно без организации образовательных
мероприятий. Коллективом авторов проекта активно ведется образовательная
деятельность – организация школ-конференций (Школа молодых ученых
«Перспективы почвенной метагеномики в контексте почвенного генезиса»,
29 сентября - 3 октября 2014 г., НБС-ННЦ, Ялта), а также разработка курса
лекций для студентов 2 курса магистратуры СПбГУ «Метагеномика
микроорганизмов».
обеспечивающей
Второе
внедрение
условие
–
создание
высокотехнологичных
инфраструктуры,
разработок
в
хозяйственную практику, которое на данный момент не может быть
выполнено в масштабе существующего финансирования научных проектов.
В целом, в силу универсальности предлагаемых научных разработок
область их применения может быть расширена и на другие отрасли науки и
техники, тесно связанные с разнообразием микробиоты, такие как медицина,
сельское хозяйство, гидрометаллургия и добыча полезных ископаемых,
криминалистика и др.