Бактерии и археи агросферы

1.1. Прокариоты: определение и место в системе органического мира

Для начала давайте вспомним ключевое определение. Прокариоты (от греч. pro — перед, karyon — ядро) — это организмы, клетки которых не имеют оформленного, окружённого мембраной ядра. Их генетический материал (ДНК) не отделён от цитоплазмы ядерной оболочкой и представлен, как правило, одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в нуклеоиде (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

Этим они принципиально отличаются от эукариот (растений, животных, грибов), клетки которых содержат настоящие органеллы, включая ядро, митохондрии и, у растений, хлоропласты. В системе органического мира прокариоты занимают обособленное положение, представляя собой две самостоятельные ветви эволюции — домены Bacteria (Бактерии) и Archaea (Археи).

В чём же заключается их «невидимая основа» для агросферы? Ответ кроется в их колоссальной численности и повсеместном распространении. Если мы возьмём всего один грамм плодородной почвы, то обнаружим в нём от нескольких миллиардов до сотен миллиардов бактериальных клеток (Weil, 2017). Их биомасса в верхнем слое почвы может достигать нескольких тонн на гектар (около 400–5000 кг/га в живом весе), что сопоставимо с биомассой крупного стада животных (Weil, 2017). Эти цифры позволяют нам говорить о том, что именно прокариоты, наряду с грибами, являются главными «дирижёрами» почвенных процессов.

1.2. Функциональная роль прокариот в агроэкосистемах

Какую же работу выполняют эти невидимые труженики? Их функции невозможно переоценить. В контексте нашей дисциплины, где мы рассматриваем организмы как часть агроэкосистемы, роль прокариот сводится к нескольким ключевым направлениям.

Во-первых, это круговорот биогенных элементов. Прокариоты являются главными посредниками в глобальных циклах углерода, азота, фосфора и серы. Они разлагают органическое вещество, возвращая в почву доступные для растений формы элементов. Без их деятельности плодородие почвы было бы невозможно, так как основные элементы питания оказались бы «запертыми» в мёртвой органике (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).

Во-вторых, это прямое влияние на плодородие и здоровье растений. Бактерии и археи не просто минерализуют органику. Они вступают в сложные, а иногда и симбиотические отношения с растениями. Одни фиксируют атмосферный азот, делая его доступным для растений (Marschner, 2012), другие растворяют труднодоступные фосфаты, третьи производят фитогормоны, стимулирующие рост (Glick, 2012; Lugtenberg & Kamilova, 2009). Есть и такие, которые защищают растения от патогенов, выступая в роли агентов биоконтроля (Compant et al., 2005).

В-третьих, это разнообразие, которое поражает воображение. Среди прокариот мы найдём весь спектр взаимоотношений с растениями: от безжалостных патогенов, вызывающих болезни и снижающих урожай (Agrios, 2005), до верных симбионтов и полезных ассоциативных партнёров. Это разнообразие является залогом стабильности и устойчивости агроэкосистемы. Понимание этого разнообразия — ключ к управлению здоровьем почвы и продуктивностью растений.

1.3. Разнообразие прокариот: от патогенов до симбионтов

Давайте немного подробнее остановимся на этом спектре. Традиционно, когда мы думаем о бактериях в сельском хозяйстве, на ум приходят в первую очередь болезни растений. Действительно, такие возбудители, как Pseudomonas syringae, Xanthomonas campestris или Ralstonia solanacearum, наносят огромный ущерб сельскому хозяйству во всём мире (Agrios, 2005). Мы будем подробно изучать их в соответствующих разделах.

Однако не стоит забывать, что патогены — это лишь верхушка айсберга. Гораздо более многочисленную и важную для агрономии группу составляют полезные микроорганизмы. К ним относятся:

• Симбиотические азотфиксаторы: например, клубеньковые бактерии рода Rhizobium, которые вступают в тесный союз с бобовыми культурами, обеспечивая их азотом (Udvardi & Poole, 2013).
• Ассоциативные и свободноживущие азотфиксаторы: такие как Azospirillum и Azotobacter, которые живут в ризосфере (зоне корня) и также снабжают растения азотом (Glick, 2012).
• Фосфатмобилизующие бактерии: например, Bacillus и Pseudomonas, способные переводить нерастворимые фосфаты в доступную для растений форму.
• Биоконтрольные агенты: например, Bacillus subtilis или Pseudomonas fluorescens, которые подавляют рост фитопатогенов, защищая урожай (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Ризобактерии, стимулирующие рост растений (PGPB): обширная группа, которая напрямую или косвенно улучшает рост и развитие растений (Compant et al., 2005; Glick, 2012).

Именно это разнообразие — от патогенов до симбионтов — составляет предмет нашего дальнейшего изучения. Мы увидим, что систематика и таксономия этих организмов — это не просто академическая игра ума, а необходимый инструмент для понимания их экологии и практического использования.

2.1. Трёхдоменная система: революция Карла Вёзе

Долгое время в биологии господствовала двухцарственная или, позднее, пятицарственная система, где все прокариоты рассматривались как единое царство Monera (или просто «бактерии»). Их противопоставляли эукариотам, которых делили на животных, растения, грибы и простейших. Однако эта система была построена на морфологических и физиологических признаках, которые у микроорганизмов очень ограничены и часто не отражают их истинного родства.

Революция произошла в 1977 году, когда американский микробиолог Карл Вёзе (Carl Woese) и его коллега Джордж Фокс (George Fox) предложили совершенно новый подход. Они решили сравнить не внешние признаки, а последовательности рибосомальной РНК (рРНК), в частности, малой субъединицы (16S рРНК у прокариот и 18S у эукариот). Этот выбор был не случаен: рРНК есть у всех живых организмов, она выполняет жизненно важную функцию и, что самое главное, её последовательность меняется очень медленно. Это делает её идеальным «молекулярным хронометром» для измерения эволюционных расстояний (Doolittle & Papke, 2006).

Результаты были ошеломляющими. Вёзе обнаружил, что так называемые «бактерии» на самом деле делятся на две группы, которые различаются между собой не меньше, чем каждая из них отличается от эукариот. Одну группу он назвал Bacteria (настоящие бактерии), а другую — Archaea (археи, от греч. archaios — древний). Вместе с эукариотами они составили три фундаментальных домена жизни — наивысший таксономический ранг. Эта трёхдоменная система (Woese et al., 1990) является общепринятой и сегодня, хотя её детали продолжают уточняться.

2.2. Фундаментальные различия между Bacteria и Archaea

Итак, что же отличает эти два домена? Различия настолько глубоки, что их можно обнаружить на всех уровнях организации клетки: от структуры мембран до работы генетического аппарата.

1. Клеточная стенка. У большинства бактерий клеточная стенка содержит пептидогликан (муреин) — сложный полимер, состоящий из углеводных цепей, сшитых короткими пептидами. Именно он придаёт клетке форму и защищает от осмотического давления. У архей пептидогликана нет. Их клеточные стенки построены из других полимеров, часто это псевдопептидогликан (у метаногенов), или же они могут быть представлены белковыми или полисахаридными слоями. Это фундаментальное различие (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

2. Липиды мембран. Это, пожалуй, одно из самых надёжных отличий. Мембраны бактерий и эукариот построены на основе сложных эфиров (эстеров) с остатками жирных кислот. Мембраны архей состоят из простых эфиров (этеров), связанных с разветвлёнными углеводородными цепями (изопреноидами). Эта химическая разница делает мембраны архей более устойчивыми к экстремальным условиям (высоким температурам, кислотности), что объясняет, почему многие археи — экстремофилы (Weil, 2017).

3. РНК-полимеразы. Фермент, отвечающий за синтез РНК (транскрипцию), у бактерий и архей также различается. РНК-полимераза архей по своей структуре и составу гораздо ближе к эукариотической, чем к бактериальной. Это один из ключевых аргументов в пользу того, что археи и эукариоты имеют общего предка (Weil, 2017).

4. Метаболизм. Хотя метаболическое разнообразие огромно в обоих доменах, есть и уникальные черты. Например, способность к метаногенезу (образованию метана) — уникальная особенность архей, не встречающаяся у бактерий. С другой стороны, оксигенный фотосинтез (с выделением кислорода) — уникальная черта цианобактерий, относящихся к домену Bacteria (Offre et al., 2013; Conrad, 2007).

Эти и другие различия (например, в строении рибосом, чувствительности к антибиотикам) чётко разграничивают два домена.

2.3. Горизонтальный перенос генов и его влияние на филогению

Однако, как мы уже упоминали, картина не так проста. Классическое эволюционное древо, где гены передаются только «вертикально» от предка к потомку, для прокариот работает не всегда. Огромную роль играет горизонтальный перенос генов (ГПГ). Это процесс, при котором организм получает генетический материал не от родителя, а от другого, часто неродственного, организма.

ГПГ может происходить несколькими путями: через трансформацию (поглощение «голой» ДНК из среды), конъюгацию (перенос ДНК при прямом контакте клеток через специальные мостики) и трансдукцию (перенос ДНК с помощью бактериофагов — вирусов, заражающих бактерии) (Doolittle & Papke, 2006).

Что это означает для систематики? Это означает, что геномы прокариот мозаичны. Часть генов они унаследовали от общего предка (это «кора» генома, отвечающая за фундаментальные процессы), а часть — приобрели от совершенно других организмов. Например, гены устойчивости к антибиотикам или гены, отвечающие за усвоение какого-либо необычного субстрата, часто передаются горизонтально (Doolittle & Papke, 2006; Heuer et al., 2008).

Из-за этого построение единого и непротиворечивого филогенетического древа по одному гену (даже по 16S рРНК) может быть затруднено. Деревья, построенные по разным генам, могут не совпадать. Это привело к пониманию, что эволюция прокариот — это не только «древо», но и «сеть» (Doolittle & Papke, 2006). Для построения более надёжной филогении современные учёные используют не один, а множество генов (конкатенированные последовательности) или даже целые геномы.

2.4. Современные базы данных для таксономии и филогении

В связи с лавинообразным ростом количества секвенированных геномов, работа систематика сегодня немыслима без мощных биоинформатических ресурсов. Вручную сравнивать миллионы последовательностей невозможно. Поэтому были созданы специализированные базы данных, которые аккумулируют, курируют и предоставляют исследователям информацию о последовательностях рРНК и геномов.

Среди наиболее важных для нашей дисциплины можно выделить:

• SILVA (от лат. silva — лес): Это одна из самых авторитетных и полных баз данных, содержащих выравненные последовательности генов рРНК (как 16S/18S, так и 23S/28S) для всех трёх доменов жизни. SILVA предоставляет не только сами последовательности, но и инструменты для их анализа, таксономическую классификацию и постоянно обновляется (Quast et al., 2012). Для нас важно, что она позволяет точно идентифицировать микроорганизмы и изучать их разнообразие.

• EzBioCloud: Это интегрированная база данных, которая объединяет таксономическую иерархию, последовательности 16S рРНК и полногеномные сборки для Bacteria и Archaea. Её ключевая особенность — использование геномных данных (таких как ANI — Average Nucleotide Identity) для точной идентификации и разграничения видов. Эта база особенно полезна для идентификации новых изолятов и понимания их филогенетического положения (Yoon et al., 2017).

• GTDB (Genome Taxonomy Database): Это база данных, которая строит таксономию исключительно на основе сравнения полных геномов, используя консервативные белок-кодирующие гены. Она предлагает стандартизированную и, возможно, более объективную таксономическую систему, которая часто отличается от традиционной, основанной на 16S рРНК, и позволяет выявлять глубокие эволюционные связи (Hug et al., 2016; Parks et al., 2018).

Эти базы данных — не просто справочники. Это рабочие инструменты, которые позволяют нам задавать вопросы: «К какому виду относится этот изолят?», «Каково его эволюционное родство с известными патогенами?», «Какие гены он приобрёл в результате ГПГ?». Без них современная систематика и таксономия немыслимы.

3.1. 16S рРНК — «золотой стандарт» молекулярной филогении

Как мы уже упоминали в прошлой лекции, революция в систематике прокариот произошла благодаря использованию гена 16S рибосомальной РНК (16S рРНК) (Woese & Fox, 1977). Почему именно этот ген стал основным филогенетическим маркером? Причин несколько:

1. Универсальность. Ген 16S рРНК присутствует у всех бактерий и архей. Он кодирует малую субъединицу рибосомы, которая необходима для синтеза белка — фундаментального процесса для любой клетки.

2. Консервативность и вариабельность. Этот ген состоит из чередующихся участков: консервативных, которые практически идентичны у всех прокариот, и вариабельных, которые различаются у разных таксонов. Консервативные участки позволяют подобрать универсальные праймеры для амплификации гена у любого организма, а вариабельные — использовать его для филогенетического анализа и идентификации (Weil, 2017).

3. Отсутствие горизонтального переноса. В отличие от многих других генов, 16S рРНК не подвержена горизонтальному переносу. Это означает, что её эволюция идёт строго вертикально, от предка к потомку. Это делает её надёжным «молекулярным хронометром» (Doolittle & Papke, 2006).

На протяжении десятилетий сравнение последовательностей 16S рРНК было основным методом для построения филогенетических деревьев и определения таксономического положения микроорганизмов. Базы данных, такие как SILVA и EzBioCloud, содержат миллионы последовательностей 16S рРНК, что позволяет быстро идентифицировать неизвестный изолят, просто сравнив его последовательность с уже известными (Quast et al., 2012; Yoon et al., 2017).

3.2. Проблемы и ограничения анализа одного гена

Однако, по мере накопления данных, стало очевидно, что анализ одного гена, даже такого надёжного, как 16S рРНК, имеет серьёзные ограничения (Doolittle & Papke, 2006; Hug et al., 2016).

Во-первых, низкое разрешение на уровне вида. Ген 16S рРНК слишком консервативен, чтобы надёжно различать близкородственные виды. Два разных вида могут иметь идентичные последовательности 16S рРНК, или их различия могут быть настолько малы, что не позволяют провести чёткую границу. Это особенно актуально для недавно дивергировавших таксонов (Doolittle & Papke, 2006).

Во-вторых, мозаичность генома. Как мы обсуждали, геномы прокариот мозаичны из-за ГПГ. Дерево, построенное по одному гену, будет отражать эволюцию только этого гена, а не всего организма. Деревья, построенные по разным генам, могут иметь разную топологию. Это явление называется несоответствием топологий генов (gene tree discordance) (Doolittle & Papke, 2006).

В-третьих, наличие плазмид и фагов. Плазмиды — это внехромосомные кольцевые молекулы ДНК, которые часто несут гены, полезные для выживания в сложных условиях (например, гены устойчивости к антибиотикам или способности к деградации загрязнителей). Плазмиды могут передаваться горизонтально, и их гены не отражают историю основного генома. Аналогично, фаги (бактериальные вирусы) могут интегрироваться в геном и привносить свои гены. Всё это ещё больше запутывает филогенетическую картину (Doolittle & Papke, 2006).

3.3. Конкатенированные гены (MLSA) и полногеномные методы

Чтобы преодолеть ограничения анализа одного гена, были разработаны более мощные подходы.

MLSA (Multilocus Sequence Analysis — анализ последовательностей множества локусов). Это метод, при котором для построения дерева используется не один, а несколько (обычно 5-7) консервативных генов «домашнего хозяйства», которые не подвержены ГПГ. Последовательности этих генов конкатенируются (объединяются в одну длинную последовательность), и дерево строится уже по этому объединённому набору данных. Это значительно повышает разрешающую способность и надёжность филогении (Hug et al., 2016).

Полногеномные методы (Whole-Genome Sequencing). С развитием технологий секвенирования появилась возможность сравнивать не отдельные гены, а полные геномы организмов. Самый современный подход — это построение филогении на основе конкатенированных последовательностей консервативных белок-кодирующих генов (например, ribosomal proteins). Этот метод используется в базе данных GTDB (Genome Taxonomy Database). Он позволяет реконструировать эволюционные связи с гораздо более высоким разрешением, чем анализ 16S рРНК, и часто выявляет совершенно неожиданные родственные связи (Hug et al., 2016; Parks et al., 2018).

3.4. Понятие «вида» у прокариот: от ДНК-ДНК гибридизации к ANI

Теперь мы подошли к, пожалуй, самому сложному и дискуссионному вопросу в систематике прокариот: что такое вид?

У эукариот (животных, растений) вид часто определяется через возможность скрещивания и получения плодовитого потомства (биологическая концепция вида). Но у прокариот полового размножения нет, поэтому эта концепция неприменима (Doolittle & Papke, 2006; Yoon et al., 2017).

Долгое время для разграничения видов использовали ДНК-ДНК гибридизацию (DNA-DNA hybridization, DDH). Это трудоёмкий и трудно воспроизводимый метод, который измерял степень сходства геномов двух штаммов. Если сходство было выше 70%, их относили к одному виду; если ниже — к разным. Однако этот метод был далёк от идеала и не позволял создать универсальную базу данных.

С приходом геномики на смену DDH пришёл гораздо более точный и стандартизированный показатель — ANI (Average Nucleotide Identity — средняя идентичность нуклеотидов). ANI рассчитывается путём попарного сравнения всех гомологичных генов в двух геномах. На основе многочисленных исследований был установлен порог вида: ANI ≥ 95-96%. Это означает, что если два штамма имеют ANI 95% и выше, они принадлежат к одному виду. Если ANI ниже 95% — это разные виды (Yoon et al., 2017; Richter & Rosselló-Móra, 2009).

Этот порог стал «золотым стандартом» современной таксономии прокариот. База данных EzBioCloud активно использует ANI для идентификации и валидации новых видов (Yoon et al., 2017).

3.5. Современные базы данных и программное обеспечение

Как мы уже говорили, работа современного систематика немыслима без мощных биоинформатических ресурсов. Давайте ещё раз вспомним ключевые из них в контексте построения филогении:

• SILVA: Предоставляет выравнивания последовательностей рРНК, что необходимо для построения деревьев по 16S рРНК (Quast et al., 2012).
• EzBioCloud: Предлагает инструменты для идентификации на основе 16S рРНК и ANI, а также содержит курированную таксономию (Yoon et al., 2017).
• GTDB: Предоставляет стандартизированную таксономию на основе полногеномных данных и филогенетические деревья, построенные по конкатенированным белкам. Это самый современный и всеобъемлющий ресурс для понимания эволюции прокариот (Parks et al., 2018).

Также существует множество программ для филогенетического анализа, такие как RAxML, MEGA, IQ-TREE, которые позволяют строить деревья на основе различных моделей эволюции.

4.1. Pseudomonadota (Proteobacteria) — самый разнообразный фил

Исторически эта группа известна как Proteobacteria (протеобактерии). Однако в современной таксономии, основанной на геномных данных, её часто называют Pseudomonadota. Это, безусловно, самый крупный и разнообразный фил бактерий. Его представители демонстрируют колоссальное метаболическое разнообразие: от фотосинтеза до азотфиксации, от патогенеза до симбиоза.

Классически протеобактерии делили на пять классов, названных по буквам греческого алфавита: Alpha-, Beta-, Gamma-, Delta- и Epsilonproteobacteria. Это деление до сих пор удобно для ориентации, хотя и не является строго филогенетическим.

Alphaproteobacteria

Этот класс включает множество организмов, критически важных для сельского хозяйства.

• Rhizobiales (Ризобии): Это, пожалуй, самая известная группа. К ней относятся клубеньковые бактерии родов Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium и другие. Они образуют симбиоз с бобовыми растениями, фиксируя атмосферный азот и снабжая им растение-хозяина. Это основа биологического земледелия и важнейший фактор плодородия почв (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012).
• Agrobacterium: Хотя Agrobacterium tumefaciens является патогеном, вызывающим корончатый галл, он также стал важнейшим инструментом генной инженерии растений. Его Ti-плазмида используется для переноса генов в растения (Agrios, 2005).
• Azospirillum: Ассоциативные азотфиксаторы, живущие в ризосфере злаковых культур. Они не образуют клубеньков, но стимулируют рост растений, фиксируя азот и производя фитогормоны (Glick, 2012).

Betaproteobacteria

Этот класс включает несколько важных групп, связанных с круговоротом азота.

• Nitrosomonadales: Аммонийокисляющие бактерии (AOB), такие как Nitrosomonas. Они осуществляют первый этап нитрификации — окисление аммония до нитрита. Это ключевой процесс в круговороте азота в почве (Prosser, 2008; Scheffer et al., 2018).
• Burkholderiales: В этот порядок входят как патогены (например, Ralstonia solanacearum — возбудитель бактериального увядания), так и полезные ризобактерии, стимулирующие рост растений (Agrios, 2005; Compant et al., 2005).

Gammaproteobacteria

Этот класс также невероятно разнообразен и включает множество патогенов и полезных организмов.

• Pseudomonadales: Род Pseudomonas — один из самых изученных. Среди них есть и патогены (например, Pseudomonas syringae, вызывающий пятнистости и ожоги), и мощные биоконтрольные агенты, и фосфатмобилизующие бактерии (Agrios, 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Xanthomonadales: Род Xanthomonas включает множество фитопатогенов, вызывающих пятнистости, ожоги и сосудистые заболевания (например, черная гниль крестоцветных). Также сюда относится Xylella fastidiosa, вызывающая болезнь Пирса у винограда (Agrios, 2005).
• Enterobacterales: Этот порядок включает как патогены (например, Erwinia amylovora — возбудитель бактериального ожога плодовых), так и полезных ассоциативных азотфиксаторов (например, Pantoea agglomerans) (Agrios, 2005; Glick, 2012).
• Methanotrophs (метанотрофы): Гаммапротеобактерии включают также аэробных метанотрофов (например, Methylococcus, Methylomonas), которые окисляют метан, снижая его эмиссию из почвы. Это важный аспект регулирования парниковых газов (Conrad, 2007).

Deltaproteobacteria

Этот класс включает организмы с уникальными метаболическими путями.

• Myxobacteria (Миксобактерии): Почвенные хищники, которые образуют плодовые тела и охотятся на другие бактерии. Они играют роль в регуляции микробных сообществ (Weil, 2017).
• Sulfate-reducing bacteria (Сульфатредуцирующие бактерии): Например, Desulfovibrio. Они восстанавливают сульфат до сероводорода в анаэробных условиях, участвуя в круговороте серы (Huang et al., 2012).

Epsilonproteobacteria

Эта группа в основном включает патогенов человека и животных (например, Campylobacter, Helicobacter), и её роль в агросфере ограничена. Мы упоминаем её для полноты картины.

4.2. Bacillota (Firmicutes) — грамположительные, спорообразующие

Этот фил, ранее известный как Firmicutes, включает грамположительные бактерии с низким содержанием ГЦ-пар в ДНК. Многие из них способны образовывать эндоспоры, что позволяет им выживать в экстремальных условиях.

1) Bacillus: Род Bacillus — один из самых важных для агросферы. Сюда входят:

• PGPB и биоконтрольные агенты: Bacillus subtilis, B. amyloliquefaciens — продуценты антибиотиков, стимуляторы роста растений (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Патогены: Bacillus cereus может вызывать порчу продуктов.
• Энтомопатогены: Bacillus thuringiensis (Bt) — источник токсинов, используемых для борьбы с насекомыми-вредителями (Weil, 2017).

2) Clostridium: Анаэробные спорообразующие бактерии. В почве они участвуют в разложении органики и фиксации азота (свободноживущие азотфиксаторы). Некоторые виды патогенны для животных и человека (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

3) Lactobacillus: Молочнокислые бактерии, используемые для силосования кормов и в пищевой промышленности. В почве они встречаются реже, но играют роль в разложении органики (Weil, 2017).

4.3. Actinomycetota (Actinobacteria) — грамположительные, мицелиальные

Этот фил, ранее известный как Actinobacteria, включает грамположительные бактерии с высоким содержанием ГЦ-пар. Многие из них образуют мицелий, напоминающий грибной, но их клетки имеют прокариотическое строение.

• Streptomyces: Самый важный род. Это почвенные сапрофиты, разлагающие сложные органические соединения (целлюлозу, хитин, лигнин). Они также являются продуцентами большинства известных антибиотиков (стрептомицин, тетрациклин и др.). В агросфере они играют роль в разложении органики и биоконтроле (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Frankia: Актинобактерии, образующие симбиоз с некоторыми деревянистыми растениями (ольха, облепиха), фиксируя азот. Это важный компонент лесных и агролесных экосистем (Marschner, 2012).
• Mycobacterium: Некоторые виды являются патогенами человека и животных, но в почве они участвуют в разложении органики (Weil, 2017).
• Clavibacter: Фитопатогены, вызывающие кольцевую гниль картофеля и бактериальное увядание томатов (Agrios, 2005).

4.4. Bacteroidota (Bacteroidetes) — почвенные и кишечные

Этот фил включает грамотрицательные бактерии, обитающие в различных средах.

• Flavobacterium: Почвенные и водные бактерии, участвующие в разложении органики. Некоторые виды могут быть патогенами рыб (Weil, 2017).
• Cytophaga: Почвенные бактерии, разлагающие целлюлозу и хитин. Важны для разложения растительных остатков (Weil, 2017).
• Bacteroides: Обитатели кишечника животных и человека, участвующие в разложении сложных полисахаридов. В почве встречаются реже (Weil, 2017).

4.5. Другие значимые филы

• Cyanobacteria (Цианобактерии): Фотосинтезирующие бактерии, осуществляющие оксигенный фотосинтез. В агросфере важны как азотфиксаторы (в симбиозе с Azolla на рисовых полях), а также как компоненты биокорок (Weil, 2017; Белякова, 2006).
• Chloroflexi: Зелёные несерные бактерии, некоторые из них фотосинтезируют, другие — аэробные термофилы. В почве участвуют в разложении органики (Huang et al., 2012).
• Acidobacteria: Очень распространённая, но слабо изученная группа почвенных бактерий. Они доминируют в некоторых почвах и играют важную роль в разложении органики (Weil, 2017).
• Verrucomicrobia: Почвенные бактерии, участвующие в разложении полисахаридов. Их роль в агросфере ещё изучается (Weil, 2017).
• Nitrospirota: Включают нитрифицирующие бактерии (например, Nitrospira), которые осуществляют второй этап нитрификации — окисление нитрита до нитрата (Prosser, 2008).

5.1. PGPB (Plant Growth-Promoting Bacteria) — бактерии, стимулирующие рост растений

Начнём с группы, которая вызывает наибольший практический интерес. PGPB — это бактерии, которые прямо или косвенно улучшают рост и развитие растений. Их можно разделить на две большие категории: ризосферные (живущие в зоне корня) и эндофитные (живущие внутри тканей растения) (Compant et al., 2005; Glick, 2012).

Механизмы действия PGPB разнообразны:

• Синтез фитогормонов: Например, Azospirillum производит ауксины (индолилуксусную кислоту), которые стимулируют рост корней. Это увеличивает площадь всасывания воды и nutrients (Glick, 2012).
• Снижение уровня этилена: Некоторые бактерии, например Pseudomonas putida, содержат фермент ACC-дезаминазу. Этот фермент разлагает предшественник этилена (ACC), снижая стрессовое воздействие этилена на растение. Это особенно важно в условиях засухи, засоления или заражения патогенами (Glick, 2012).
• Улучшение питания: Многие PGPB способны мобилизовать фосфаты (переводить нерастворимые фосфаты в доступную форму) или производить сидерофоры — молекулы, связывающие железо и делающие его доступным для растения (Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Биоконтроль: PGPB могут подавлять фитопатогенов через производство антибиотиков, конкуренцию за питательные вещества или индукцию системной устойчивости (ISR) у растений (Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).

К типичным представителям PGPB относятся роды Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas и Rhizobium.

5.2. Азотфиксаторы — основа азотного питания

Азот — важнейший элемент для жизни, но атмосферный азот (N₂) инертен и недоступен большинству организмов. Азотфиксация — это процесс восстановления N₂ до аммиака (NH₃), который могут осуществлять только прокариоты, обладающие ферментом нитрогеназой (Marschner, 2012; Udvardi & Poole, 2013).

Азотфиксаторы делятся на несколько групп:

• Симбиотические азотфиксаторы: Это бактерии, которые образуют симбиоз с растениями. Самый известный пример — ризобии (Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium), которые образуют клубеньки на корнях бобовых растений. Внутри клубеньков они восстанавливают N₂ до аммиака, снабжая растение азотом. Это основа биологического земледелия (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012). Другой пример — франкии (Frankia), которые образуют симбиоз с некоторыми деревянистыми растениями (ольха, облепиха) (Marschner, 2012).
• Свободноживущие азотфиксаторы: Эти бактерии живут в почве самостоятельно и фиксируют азот, не вступая в симбиоз. Примеры: Azotobacter (аэроб), Clostridium (анаэроб). Их вклад в азотный баланс почвы обычно меньше, чем у симбионтов, но они важны в естественных экосистемах (Weil, 2017).
• Ассоциативные азотфиксаторы: Эти бактерии живут в ризосфере или на поверхности корней, но не образуют клубеньков. Пример: Azospirillum. Они фиксируют азот, используя энергию из корневых выделений, и могут обеспечивать до 30% потребности растения в азоте (Glick, 2012).

5.3. Метанотрофы — потребители метана

Метанотрофы — это аэробные бактерии, которые используют метан (CH₄) в качестве единственного источника углерода и энергии. Они играют ключевую роль в снижении эмиссии метана — мощного парникового газа — из почвы в атмосферу (Conrad, 2007).

Метанотрофы обитают на границе аэробных и анаэробных зон, где метан, образующийся в анаэробных условиях, встречается с кислородом. В агроэкосистемах они особенно важны на рисовых полях и в заболоченных почвах. Типичные представители: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus (Conrad, 2007; Weil, 2017).

5.4. Метаногены (Archaea) — производители метана

Метаногены — это строго анаэробные археи, которые производят метан как конечный продукт своего энергетического метаболизма. Они обитают в анаэробных условиях: в заболоченных почвах, рисовых полях, кишечнике жвачных животных, в осадках водоёмов (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

Метаногены используют несколько субстратов:

• Водород и углекислый газ (гидрогенотрофные метаногены): 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O.
• Ацетат (ацетокластические метаногены): CH₃COOH → CH₄ + CO₂.
• Метилированные соединения (метанол, метиламины): метилотрофные метаногены.

В агросфере метаногены играют двойственную роль. С одной стороны, они производят метан — парниковый газ, способствующий изменению климата. С другой стороны, они являются частью естественного круговорота углерода в анаэробных экосистемах. Типичные роды: Methanosarcina, Methanobacterium, Methanococcus (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

5.5. Аммонийокисляющие археи (AOA) — ключевые нитрификаторы

Долгое время считалось, что нитрификация — окисление аммония до нитрата — осуществляется исключительно бактериями. Однако в 2005 году были обнаружены аммонийокисляющие археи (AOA), которые оказались гораздо более многочисленными в почвах, чем их бактериальные аналоги (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).

AOA относятся к филу Thaumarchaeota и играют ключевую роль в круговороте азота. Они осуществляют первый этап нитрификации: окисление аммония (NH₄⁺) до нитрита (NO₂⁻). В отличие от бактерий, AOA лучше приспособлены к низким концентрациям аммония и могут доминировать в олиготрофных почвах (Prosser & Nicol, 2008; Leininger et al., 2006).

5.6. Нитрификаторы и денитрификаторы — круговорот азота

Нитрификация — это двухэтапный процесс:

1. Аммонийокисляющие бактерии (AOB) и AOA окисляют аммоний до нитрита. Примеры AOB: Nitrosomonas, Nitrosospira (Prosser, 2008).

2. Нитритокисляющие бактерии (NOB) окисляют нитрит до нитрата. Примеры: Nitrobacter, Nitrospira (Prosser, 2008).

Денитрификация — это анаэробный процесс, при котором нитрат (NO₃^-) восстанавливается до газообразного азота (N₂) через промежуточные продукты (NO₂⁻, NO, N₂O). Денитрификаторы — это факультативно анаэробные бактерии, такие как Pseudomonas, Bacillus, Paracoccus. Этот процесс важен для возврата азота в атмосферу, но он также может приводить к потерям азота из почвы и эмиссии N₂O — парникового газа (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).

5.7. Фосфатмобилизующие и калиймобилизующие бактерии

Фосфор и калий — важнейшие элементы питания растений, но в почве они часто находятся в недоступной форме. Фосфатмобилизующие бактерии способны переводить нерастворимые фосфаты (например, фосфаты кальция, железа, алюминия) в растворимую форму, доступную для растений. Механизмы включают производство органических кислот (глюконовой, лимонной), которые растворяют минералы, или ферментов (фосфатаз), которые гидролизуют органические фосфаты (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).

Калиймобилизующие бактерии (например, Bacillus mucilaginosus) способны высвобождать калий из силикатных минералов, делая его доступным для растений (Scheffer et al., 2018).

5.8. Сидерофор-продуценты — борьба за железо

Железо необходимо для жизни, но в аэробных почвах оно находится в форме Fe³⁺, которая крайне нерастворима. Сидерофоры — это низкомолекулярные соединения, которые связывают Fe³⁺ с очень высокой аффинностью и делают его доступным для бактерий. Некоторые PGPB производят сидерофоры, которые могут подавлять фитопатогенов, лишая их железа. Это один из механизмов биоконтроля (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Glick, 2012).

6.1. Кто такие археи? Краткий обзор домена

Напомню, что домен Archaea был выделен Карлом Вёзе в 1977 году на основе сравнения последовательностей 16S рРНК (Woese & Fox, 1977). Археи — это прокариоты, но они фундаментально отличаются от бактерий:

• Клеточная стенка: У архей нет пептидогликана (муреина). Их клеточные стенки построены из псевдопептидогликана, белков или полисахаридов (Weil, 2017).
• Мембранные липиды: Мембраны архей состоят из простых эфиров (этеров) с разветвлёнными углеводородными цепями (изопреноидами), а не из сложных эфиров с жирными кислотами, как у бактерий и эукариот. Это делает их более устойчивыми к экстремальным условиям (Weil, 2017).
• РНК-полимераза: По структуре и составу она ближе к эукариотической, чем к бактериальной (Weil, 2017).
• Метаболизм: Археи обладают уникальными метаболическими путями, включая метаногенез, который не встречается у бактерий (Offre et al., 2013).

Современная филогения делит домен Archaea на несколько основных фил. Традиционно выделяли два крупных фила: Euryarchaeota и Crenarchaeota. Однако с развитием геномики и метагеномики были описаны новые филы, такие как Thaumarchaeota, Korarchaeota, Aigarchaeota, Geoarchaeota и другие (Offre et al., 2013; Hug et al., 2016). Для агросферы наибольшее значение имеют Euryarchaeota (метаногены) и Thaumarchaeota (аммонийокисляющие археи).

6.2. Метаногены — производители метана

Метаногены — это строго анаэробные археи, которые производят метан (CH₄) как конечный продукт своего энергетического метаболизма. Они относятся преимущественно к филу Euryarchaeota и включают несколько порядков: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales и Methanopyrales (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).

Метаболические пути метаногенеза:

1. Гидрогенотрофный метаногенез: Восстановление CO₂ с использованием H₂ в качестве донора электронов:

4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O.

Это наиболее распространённый путь, характерный для большинства метаногенов.

2. Ацетокластический метаногенез: Расщепление ацетата:

CH₃COOH → CH₄ + CO₂.

Этот путь характерен для представителей рода Methanosarcina и Methanosaeta. В рисовых полях на долю ацетокластического метаногенеза приходится до двух третей общего производства метана (Conrad, 2007).

3. Метилотрофный метаногенез: Восстановление метилированных соединений (метанол, метиламины) с использованием H₂:

CH₃OH + H₂ → CH₄ + H₂O.

Экология метаногенов в агросфере:

Метаногены обитают исключительно в анаэробных условиях, где отсутствуют альтернативные акцепторы электронов (O₂, NO₃^-, Fe³⁺, SO₄^2-). В агроэкосистемах они встречаются в:

• Рисовых полях: Затопленные рисовые поля — один из крупнейших антропогенных источников метана. Метаногены активно работают в анаэробном слое почвы, используя органические вещества, выделяемые корнями риса, и рисовую солому (Conrad, 2007; Kimura, 2000).
• Кишечнике жвачных животных: Метаногены являются частью нормальной микрофлоры рубца, где они производят метан, который выводится через отрыжку. Это значительный источник эмиссии метана в животноводстве (Conrad, 2007).
• Заболоченных почвах и торфяниках: В естественных и сельскохозяйственных водно-болотных угодьях метаногены играют ключевую роль в разложении органики.

Значение для агрономии: Метаногены представляют двойственный интерес. С одной стороны, они производят метан — мощный парниковый газ (его потенциал глобального потепления в 25 раз выше, чем у CO₂). С другой стороны, они являются частью естественного круговорота углерода в анаэробных экосистемах. Управление рисовыми полями (например, периодическое осушение) может снижать эмиссию метана (Conrad, 2007).

6.3. Метанотрофы — потребители метана

В отличие от метаногенов, метанотрофы — это аэробные бактерии, которые окисляют метан, используя его в качестве источника углерода и энергии. Мы уже упоминали их в контексте экологических групп бактерий, но здесь важно подчеркнуть их роль в балансе парниковых газов.

Метанотрофы обитают на границе аэробных и анаэробных зон, где метан, образующийся в анаэробных условиях, встречается с кислородом. В агроэкосистемах они особенно важны на рисовых полях, где они потребляют значительную часть метана, производимого метаногенами, не давая ему достичь атмосферы (Conrad, 2007; Weil, 2017).

Типичные роды метанотрофов: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis.

6.4. Аммонийокисляющие археи (AOA) — ключевые нитрификаторы

Это, пожалуй, самая важная группа архей для агросферы после метаногенов. Аммонийокисляющие археи (AOA) относятся к филу Thaumarchaeota и осуществляют первый этап нитрификации — окисление аммония (NH₄⁺) до нитрита (NO₂⁻) (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).

История открытия: Долгое время считалось, что нитрификация — исключительно бактериальный процесс. Однако в 2005 году группа учёных под руководством Кристофа Шлепера обнаружила, что в почвах археи, а не бактерии, доминируют среди аммонийокисляющих прокариот (Leininger et al., 2006). Это открытие радикально изменило наши представления о круговороте азота.

Экология AOA:

• Распространение: AOA ubiquitously присутствуют в почвах, включая agricultural soils. Они были обнаружены в 12 различных почвах трёх климатических зон, и их численность превышала численность бактериальных аммонийокислителей (AOB) в 3000 раз в некоторых образцах (Leininger et al., 2006).
• Физиология: AOA лучше приспособлены к низким концентрациям аммония, чем AOB. Они имеют более высокое сродство к субстрату (низкие значения Km) и могут доминировать в олиготрофных почвах (Prosser & Nicol, 2008).
• Роль в почвах: AOA играют ключевую роль в нитрификации, особенно в кислых почвах и почвах с низким содержанием аммония. Их вклад в нитрификацию может достигать 80% в некоторых экосистемах (Prosser & Nicol, 2008; Leininger et al., 2006).

Значение для агрономии: Нитрификация — ключевой процесс в круговороте азота. Она определяет, какая форма азота доступна растениям (аммоний или нитрат), и как быстро азот может быть потерян из почвы через выщелачивание или денитрификацию. Понимание роли AOA важно для разработки стратегий управления азотными удобрениями и снижения потерь азота (Prosser & Nicol, 2008).

6.5. Галофильные археи в засолённых почвах

Галофильные археи — это группа архей, которые процветают в условиях высокой солёности. Они относятся к филу Euryarchaeota, класс Halobacteria. Эти организмы требуют высоких концентраций соли (обычно 1.5–5 M NaCl) для роста и часто встречаются в соляных озёрах, соляных прудах и засолённых почвах (Offre et al., 2013).

Экология и значение:

• Засолённые почвы: В аридных и семиаридных регионах, где распространено орошаемое земледелие, вторичное засоление почв является серьёзной проблемой. Галофильные археи могут доминировать в микробных сообществах таких почв (Offre et al., 2013).
• Метаболизм: Большинство галофильных архей — аэробы, гетеротрофы. Некоторые из них способны к фотосинтезу с использованием бактериородопсина (галобактерии), но это не оксигенный фотосинтез.
• Роль в агросфере: Их роль в засолённых почвах ещё изучается. Они могут участвовать в разложении органики, но их вклад в плодородие почв ограничен. Однако они являются индикаторами засоления и могут использоваться для мониторинга состояния почв (Offre et al., 2013).

6.6. Термофильные и ацидофильные археи в экстремальных местообитаниях

Хотя эти группы не являются типичными для агросферы, они заслуживают упоминания, так как демонстрируют удивительную адаптацию архей к экстремальным условиям.

• Термофильные археи: Обитают в горячих источниках, гидротермальных жерлах, вулканических почвах. Оптимальные температуры для роста — 65–110 °C. Примеры: Pyrococcus, Thermococcus, Sulfolobus (Offre et al., 2013).
• Ацидофильные археи: Обитают в кислых средах (pH < 3), таких как кислые шахтные воды, вулканические почвы. Пример: Ferroplasma acidiphilum, Sulfolobus acidocaldarius (Offre et al., 2013).

Значение для агросферы: Хотя эти археи не являются типичными для сельскохозяйственных почв, они важны для понимания эволюции жизни и могут быть источником уникальных ферментов (например, термостабильных ДНК-полимераз, используемых в ПЦР). Кроме того, ацидофильные археи могут участвовать в образовании кислых дренажных вод из горных пород, что может быть проблемой для окружающей среды (Offre et al., 2013; Weil, 2017).

6.7. Роль архей в биогеохимических циклах

Подводя итог, можно сказать, что археи играют ключевую роль в нескольких глобальных биогеохимических циклах:

1. Цикл углерода: Метаногены производят метан, метанотрофы его потребляют. Археи также участвуют в разложении органики в анаэробных условиях.

2. Цикл азота: AOA осуществляют первый этап нитрификации, играя ключевую роль в превращении аммония в нитрат.

3. Цикл серы: Некоторые археи (например, Sulfolobus) окисляют серу, другие (например, Archaeoglobus) восстанавливают сульфат.

4. Цикл железа: Некоторые археи участвуют в окислении и восстановлении железа.

7.1. Биоудобрения и микробные препараты

Одно из самых перспективных направлений — это использование биоудобрений (или микробных препаратов). Это препараты, содержащие живые микроорганизмы, которые при внесении в почву или на семена улучшают питание растений и стимулируют их рост (Glick, 2012; Compant et al., 2005).

Основные типы биоудобрений:

1. Азотфиксирующие биоудобрения:

• Ризобиальные препараты: На основе клубеньковых бактерий (Rhizobium, Bradyrhizobium). Используются для инокуляции семян бобовых культур (соя, горох, люцерна, клевер). Это позволяет снизить или полностью отказаться от азотных удобрений, так как бактерии фиксируют атмосферный азот и снабжают им растение (Udvardi & Poole, 2013; Marschner, 2012). Например, инокуляция сои может обеспечить до 200 кг азота на гектар (Marschner, 2012).
• Ассоциативные азотфиксаторы: На основе Azospirillum для злаковых культур (пшеница, кукуруза, рис). Они не образуют клубеньков, но живут в ризосфере и фиксируют азот, а также производят фитогормоны (Glick, 2012).
• Свободноживущие азотфиксаторы: На основе Azotobacter для различных культур. Они менее эффективны, чем симбионты, но могут улучшать азотное питание (Weil, 2017).

2. Фосфатмобилизующие биоудобрения:

• На основе бактерий, способных переводить нерастворимые фосфаты в доступную форму. Примеры: Bacillus, Pseudomonas. Эти препараты позволяют повысить эффективность фосфорных удобрений и снизить их дозы (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).

3. Комплексные биоудобрения:

• Содержат смесь нескольких микроорганизмов: азотфиксаторов, фосфатмобилизаторов, калиймобилизаторов. Это позволяет комплексно улучшать питание растений (Glick, 2012).

Преимущества биоудобрений:

• Экологически безопасны, не загрязняют почву и воду.
• Снижают затраты на минеральные удобрения.
• Улучшают структуру почвы и её биологическую активность.
• Повышают устойчивость растений к стрессам (засуха, засоление, патогены) (Glick, 2012; Compant et al., 2005).

Ограничения:

• Эффективность зависит от почвенно-климатических условий.
• Требуют правильного хранения и применения.
• Не всегда конкурентоспособны по сравнению с аборигенной микрофлорой (Compant et al., 2005).

7.2. Биоконтроль фитопатогенов

Биоконтроль — это использование живых организмов (или их продуктов) для подавления фитопатогенов. Бактерии и археи играют здесь ключевую роль (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Compant et al., 2005).

Механизмы биоконтроля:

1. Антибиоз: PGPB производят антибиотики, которые убивают или подавляют рост патогенов. Примеры: Bacillus subtilis производит субтилин, Pseudomonas fluorescens — феназин (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

2. Конкуренция за питательные вещества и ниши: PGPB быстро колонизируют корневую систему, занимая места, которые могли бы быть заняты патогенами. Они также конкурируют за питательные вещества, лишая патогенов ресурсов (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

3. Паразитизм и лизис: Некоторые бактерии (например, Streptomyces) производят ферменты (хитиназы, глюканазы), которые разрушают клеточные стенки грибных патогенов (Compant et al., 2005).

4. Индукция системной устойчивости (ISR): PGPB могут «включать» защитные механизмы растения, делая его более устойчивым к патогенам. Это происходит без прямого контакта между бактерией и патогеном (Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).

5. Сидерофоры: PGPB производят сидерофоры, которые связывают железо, делая его недоступным для патогенов (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

Примеры биоконтрольных препаратов:

• На основе Bacillus subtilis — для защиты от корневых гнилей, мучнистой росы.
• На основе Pseudomonas fluorescens — для защиты от бактериальных и грибных патогенов.
• На основе Trichoderma (гриб) — для защиты от широкого спектра патогенов (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

7.3. Индикаторы здоровья почвы

Микроорганизмы могут служить биоиндикаторами состояния почвы. Их численность, разнообразие и активность отражают здоровье почвы и её способность выполнять свои функции (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

Основные микробные показатели:

1. Микробная биомасса: Общая масса микроорганизмов в почве. Высокая биомасса обычно указывает на здоровую, плодородную почву (Weil, 2017).

2. Микробное дыхание: Выделение CO₂ почвой. Отражает общую метаболическую активность микробного сообщества (Weil, 2017).

3. Ферментативная активность: Активность почвенных ферментов (дегидрогеназы, фосфатазы, уреазы) — показатель интенсивности биохимических процессов (Huang et al., 2012).

4. Разнообразие микробного сообщества: Оценивается с помощью молекулярных методов (секвенирование 16S рРНК). Высокое разнообразие — признак устойчивой почвы (Weil, 2017).

5. Соотношение грибов и бактерий: Разные соотношения характерны для разных типов почв и систем земледелия. Например, No-till системы способствуют увеличению доли грибов (Weil, 2017).

6. Наличие специфических групп: Например, присутствие AOA (аммонийокисляющих архей) может указывать на активную нитрификацию (Prosser & Nicol, 2008).

7.4. Биоремедиация загрязнений

Микроорганизмы способны разлагать или обезвреживать загрязнители окружающей среды. Это используется в биоремедиации — технологии очистки почв и вод с помощью биологических агентов (Weil, 2017; Glick, 2012).

Основные направления:

1. Разложение органических загрязнителей: Некоторые бактерии (например, Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus) способны разлагать нефтепродукты, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) (Weil, 2017; Huang et al., 2012).

2. Детоксикация тяжёлых металлов: Бактерии могут иммобилизовать или трансформировать тяжёлые металлы, снижая их токсичность. Например, сульфатредуцирующие бактерии осаждают металлы в виде сульфидов (Huang et al., 2012).

3. Фиторемедиация с использованием PGPB: Совместное использование растений и PGPB для очистки почв. Бактерии стимулируют рост растений, которые накапливают загрязнители, и помогают им справляться со стрессом (Glick, 2012).

4. Биоремедиация с использованием архей: Метаногены и другие археи могут участвовать в разложении органических загрязнителей в анаэробных условиях (Offre et al., 2013).

7.5. Влияние агротехнологий на микробные сообщества

Понимание того, как агротехнологии влияют на микробные сообщества, позволяет управлять ими для повышения плодородия и устойчивости агроэкосистем (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

Основные факторы влияния:

1. Обработка почвы:

• Традиционная (вспашка): Разрушает микробные сообщества, снижает разнообразие, способствует потере органического углерода (Weil, 2017).
• No-till (нулевая обработка): Сохраняет структуру почвы, увеличивает микробную биомассу и разнообразие, способствует накоплению органического углерода (Weil, 2017).

2. Внесение удобрений:

• Минеральные удобрения: Могут стимулировать рост определённых групп микроорганизмов, но при избытке — снижать разнообразие и вызывать закисление почвы (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Органические удобрения: Увеличивают микробную биомассу и активность, улучшают структуру почвы (Weil, 2017).

3. Пестициды:

• Могут оказывать токсическое действие на нецелевые микроорганизмы, снижать разнообразие и активность (Weil, 2017).
• Некоторые пестициды могут разлагаться микроорганизмами, но при этом могут накапливаться в пищевых цепях (Weil, 2017).

4. Севооборот:

• Разнообразные севообороты способствуют увеличению микробного разнообразия и устойчивости почвы (Weil, 2017).
• Монокультура снижает разнообразие и может приводить к накоплению патогенов (Weil, 2017).

5. Орошение:

• Влияет на влажность почвы, что определяет активность микроорганизмов. Переувлажнение может приводить к анаэробным условиям и развитию метаногенов (Conrad, 2007).

8.1. Прокариоты — фундамент агроэкосистем

Главный вывод, который мы должны сделать, заключается в том, что прокариоты — это фундамент агроэкосистем. Их роль невозможно переоценить. Давайте вспомним ключевые цифры и факты:

• В одном грамме почвы содержится от нескольких миллиардов до сотен миллиардов бактериальных клеток (Weil, 2017).
• Биомасса микроорганизмов в верхнем слое почвы может достигать нескольких тонн на гектар, что сопоставимо с биомассой крупного стада животных (Weil, 2017).
• Прокариоты доминируют в процессах разложения органического вещества, круговороте азота, фосфора и серы (Huang et al., 2012; Scheffer et al., 2018).
• Без их деятельности плодородие почвы было бы невозможно, так как основные элементы питания оставались бы «запертыми» в мёртвой органике.

Именно прокариоты обеспечивают те экосистемные услуги, от которых зависит сельское хозяйство: минерализация органики, фиксация азота, мобилизация фосфора, биоконтроль патогенов и многое другое.

8.2. Таксономическое разнообразие и современная систематика

Мы увидели, что мир прокариот огромен и разнообразен. Он делится на два фундаментальных домена — Bacteria и Archaea, которые разошлись в эволюции миллиарды лет назад (Woese & Fox, 1977). Мы познакомились с основными филами, значимыми для агросферы:

• Pseudomonadota (Proteobacteria) — самый разнообразный фил, включающий ризобий, псевдомонад, ксантомонад, энтеробактерий (Agrios, 2005; Udvardi & Poole, 2013).
• Bacillota (Firmicutes) — грамположительные спорообразующие бактерии, включая Bacillus и Clostridium (Weil, 2017).
• Actinomycetota (Actinobacteria) — мицелиальные бактерии, включая Streptomyces и Frankia (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).
• Bacteroidota — почвенные и кишечные бактерии, участвующие в разложении органики (Weil, 2017).
• Cyanobacteria, Acidobacteria, Verrucomicrobia и другие (Huang et al., 2012; Weil, 2017).

Мы также обсудили, что современная систематика прокариот основана на молекулярных данных. Ген 16S рРНК долгое время был «золотым стандартом», но сегодня на смену ему приходят полногеномные методы (ANI, конкатенированные гены), которые позволяют строить более точные филогенетические деревья и определять границы видов (Doolittle & Papke, 2006; Yoon et al., 2017; Parks et al., 2018). Базы данных SILVA, EzBioCloud и GTDB стали незаменимыми инструментами для идентификации и классификации микроорганизмов (Quast et al., 2012; Yoon et al., 2017; Parks et al., 2018).

8.3. Экологические группы и их роль в агросфере

Мы рассмотрели основные экологические группы прокариот, которые определяют функционирование агроэкосистем:

• PGPB (Plant Growth-Promoting Bacteria): Azospirillum, Bacillus, Pseudomonas, Rhizobium — стимулируют рост растений через синтез фитогормонов, улучшение питания и биоконтроль (Glick, 2012; Compant et al., 2005; Lugtenberg & Kamilova, 2009).
• Азотфиксаторы: симбиотические (ризобии, франкии), свободноживущие (Azotobacter, Clostridium), ассоциативные (Azospirillum) — обеспечивают азотное питание растений (Marschner, 2012; Udvardi & Poole, 2013).
• Метанотрофы: потребляют метан, снижая эмиссию парниковых газов (Conrad, 2007).
• Метаногены (Archaea): производят метан в анаэробных условиях — рисовые поля, кишечник жвачных (Conrad, 2007; Offre et al., 2013).
• Аммонийокисляющие археи (AOA): ключевые нитрификаторы, доминирующие в почвах (Leininger et al., 2006; Prosser & Nicol, 2008).
• Нитрификаторы и денитрификаторы: обеспечивают круговорот азота (Prosser, 2008; Huang et al., 2012).
• Фосфатмобилизующие и калиймобилизующие бактерии: переводят элементы в доступную для растений форму (Glick, 2012; Scheffer et al., 2018).
• Сидерофор-продуценты: конкурируют за железо, подавляя патогенов (Lugtenberg & Kamilova, 2009).

Мы также подробно остановились на археях, которые, как выяснилось, не являются экзотической группой, а ubiquitously присутствуют в почвах и играют ключевую роль в биогеохимических циклах (Offre et al., 2013; Leininger et al., 2006).

8.4. Практическое значение для агрономии

Мы обсудили, как знания о прокариотах применяются на практике:

• Биоудобрения: препараты на основе азотфиксаторов, фосфатмобилизаторов и PGPB позволяют снизить зависимость от минеральных удобрений и повысить урожайность (Glick, 2012).
• Биоконтроль: использование микроорганизмов для подавления фитопатогенов через антибиоз, конкуренцию, паразитизм и индукцию системной устойчивости (Lugtenberg & Kamilova, 2009; Compant et al., 2005).
• Индикаторы здоровья почвы: микробная биомасса, дыхание, ферментативная активность и разнообразие используются для оценки состояния почв (Weil, 2017; Huang et al., 2012).
• Биоремедиация: микроорганизмы разлагают загрязнители (нефтепродукты, пестициды) и детоксицируют тяжёлые металлы (Weil, 2017; Glick, 2012).
• Влияние агротехнологий: обработка почвы, удобрения, пестициды и севооборот оказывают значительное влияние на микробные сообщества, что необходимо учитывать при управлении агроэкосистемами (Weil, 2017; Scheffer et al., 2018).

8.5. Ограничения и перспективы

Несмотря на огромный прогресс, наши знания о прокариотах далеко не полны. Большинство микроорганизмов (более 99%) не могут быть культивированы в лабораторных условиях, и мы знаем о них только по молекулярным данным (Weil, 2017). Это создаёт серьёзные ограничения для изучения их физиологии и экологии.

Кроме того, горизонтальный перенос генов и мозаичность геномов делают построение единого эволюционного древа сложной задачей (Doolittle & Papke, 2006). Методы метагеномики, метатранскриптомики и метаболомики открывают новые возможности для изучения некультивируемых микроорганизмов и их функций в естественных условиях (Hug et al., 2016).

Перспективы дальнейших исследований включают:

• Разработку новых методов культивирования для доступа к «микробной тёмной материи».
• Использование стабильных изотопов (SIP) для идентификации активных микроорганизмов в почве (Huang et al., 2012).
• Применение синтетической биологии для создания эффективных микробных консорциумов для агрономии.
• Изучение взаимодействия бактерий и архей с растениями и другими микроорганизмами в рамках холобионта (Huang et al., 2012).

8.6. Заключительные remarks

Дорогие студенты, мы завершили первый модуль нашего курса. Вы получили фундаментальные знания о самой древней, многочисленной и метаболически разнообразной группе организмов на Земле — о прокариотах. Вы узнали, что бактерии и археи — это не просто «микробы», а сложные, высокоорганизованные системы, которые определяют жизнь на нашей планете.

Для агронома эти знания имеют прямое практическое значение. Понимание микробиологии почвы позволяет:

• Эффективно управлять плодородием, снижая затраты на удобрения.
• Защищать растения от болезней с помощью биологических методов.
• Оценивать здоровье почвы и прогнозировать её продуктивность.
• Разрабатывать устойчивые системы земледелия, которые сохраняют ресурсы для будущих поколений.

Современная систематика и таксономия — это не просто «наука о названиях». Это инструмент, который позволяет нам понимать эволюционные связи, предсказывать свойства организмов и эффективно использовать их в практических целях. Базы данных, такие как SILVA, EzBioCloud и GTDB, — это не справочники, а рабочие инструменты, которые будут сопровождать вас на протяжении всей вашей профессиональной деятельности.