Біологічні системи: теорія та інновації

Біотехнологічні аспекти формування метагеному ризосферних мікроорганізмів картоплі під дією мікробних препаратів

Віталій Оверченко, Юлія Коломієць
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження було оцінити вплив мікробних препаратів на структурно-функціональні характеристики ризосферного метагеному картоплі та пов’язані з цим зміни росту і продуктивності рослин. У межах вегетаційного досліду було отримано повногеномні метагеномні профілі ризосфери картоплі за п’яти варіантів: без обробки, три окремі мікробні препарати та їхня комбінація. Було отримано 11,8 млн секвенувальних родів, що пройшли базову якісну фільтрацію; ідентифіковано 2 950 таксономічних одиниць, виконано таксономічну й функціональну анотацію, розраховано показники різноманіття та проведено кореляційний аналіз із морфологічними й врожайними показниками. Встановлено, що у всіх варіантах домінували представники типів Proteobacteria, Actinobacteriota, Bacteroidota та Firmicutes, сумарна частка яких перевищувала 80 % структури метагеному, тоді як застосування мікробних препаратів супроводжувалося підвищенням видового багатства і різноманіття: індекс Шеннона зростав з 4,82 у контролі до 5,12-5,18 у дослідних варіантах, а оцінка багатства за Chao1 – з 830 до 960-975 таксонів. Було виявлено зростання частки родів, асоційованих із ростом рослин, а також відносної кількості генів, пов’язаних з азотфіксацією, мобілізацією фосфору, транспортуванням калію, засвоєнням сірки та ознаками стресостійкості, з максимальними значеннями у варіантах з третім препаратом і його комбінацією з першим. Ці варіанти забезпечували підвищення маси бульб з рослини до 495-510 г і збільшення частки середньої та крупної фракцій врожаю, причому коефіцієнти кореляції між сумарною часткою корисних мікроорганізмів, функціональними генами і продуктивністю досягали 0,6-0,7. Отримані результати засвідчили, що цілеспрямована мікробна обробка здатна формувати ризосферний метагеном із підвищеним біотехнологічним потенціалом і може бути використана агрономами-практиками, розробниками мікробних препаратів, селекціонерами картоплі та фахівцями з інтегрованого управління родючістю ґрунтів для оптимізації мікробних консорціумів у технологіях вирощування картоплі

Ключові слова

варіант; кількість; тип; рід; азотфіксація; фосфор

ЦИТУВАТИ
Overchenko, V., & Kolomyets, Yu. (2025). Biotechnological aspects of the formation of the metagenome of potato rhizosphere microorganisms under the influence of microbial preparations. Biological Systems: Theory and Innovation, 16(4), 71-89. https://doi.org/10.31548/biologiya/4.2025.71
Використані джерела
  1. Alawiye, T.T., & Babalola, O.O. (2021). Metagenomic insight into the community structure and functional genes in the sunflower rhizosphere microbiome. Agriculture, 11(2), article number 167. doi: 10.3390/agriculture11020167.
  2. Boke, A. (2024). Assessment of microbial antagonism in the rhizosphereand non-rhizosphere of potato (Solanum tuberosum L.) At gadab hassasa district, west arsi zone, oromia regional state, Ethiopia. Afribary. Retrieved from https://surl.li/eleitt.
  3. Chen, G., Wu, C., Wang, F., Lyu, H., Lu, Y., Yan, C., Chen, J., Deng, Y., & Ge, T. (2022). Microbial community changes in different underground compartments of potato affected yield and quality. 3 Biotech, 12, article number 106. doi: 10.1007/s13205-022-03167-6.
  4. Chica, E., Buela, L., Valdez, A., Villena, P., Peña, D., & Yarzábal, L.A. (2019). Metagenomic survey of the bacterial communities in the rhizosphere of three Andean tuber crops. Symbiosis, 79, 141-150. doi: 10.1007/s13199-019-00631-5. 
  5. Convention on Biological Diversity. (1992, June). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_030#Text.
  6. Dias, A.C.F., Dini-Andreote, F., Hannula, S.E., Dini Andreote, F., e Silva, M.D.C.P., Salles, J.F., de Boer, W., van Veen, J., & van Elsas, J.D. (2013). Different selective effects onrhizosphere bacteria exerted by genetically modified versus conventional potato lines. PLOS One, 8(7), article number e67948. doi: 10.1371/journal.pone.0067948.
  7. Gao, P., et al. (2025). Environmental factors drive the changes of bacterial structure and functional diversity in rhizosphere soil of Hippophae rhamnoides subsp. sinensis rousi in arid regions of Northwest China. Microorganisms, 13(8), article number 1860. doi: 10.3390/microorganisms13081860.
  8. Ha, J., Gao, Y., Zhang, R., Li, K., Zhang, Y., Niu, X., Chen, X., Luo, K., & Chen, Y. (2021). Diversity of the bacterial microbiome associated with the endosphere and rhizosphere of different cassava (Manihot esculenta crantz) genotypes. Frontiers in Microbiology, 12, article number 729022. doi: 10.3389/fmicb.2021.729022.
  9. Hemkemeyer, M., Schwalb, S.A., Berendonk, C., Geisen, S., Heinze, S., Joergensen, R.G., Li, R., Lövenich, P., Xiong, W., & Wichern, F. (2024). Potato yield and quality are linked to cover crop and soil microbiome, respectively. Biology and Fertility of Soils, 60(4), 525-545. doi: 10.1007/s00374-024-01813-0.
  10. Hou, Q., Wang, W., Yang, Y., Hu, J., Bian, C., Jin, L., Li, G., & Xiong, X. (2020). Rhizosphere microbial diversity and community dynamics during potato cultivation. European Journal of Soil Biology, 98, article number 103176. doi: 10.1016/j.ejsobi.2020.103176.
  11. Imam, N., Belda, I., García-Jiménez, B., Duehl, A.J., Doroghazi, J.R., Almonacid, D.E., Thomas, V.P., & Acedo, A. (2021). Local network properties of soil and rhizosphere microbial communities in potato plantations treated with a biological product are important predictors of crop yield. Msphere, 6(4), 10-1128. doi: 10.1128/msphere.00130-21.
  12. Kiige, J.K., Kavoo, A.M., Mwajita, M.R., Mogire, D., Ogada, S., Wekesa, T.B., & Kiirika, L.M. (2025). Metagenomic characterization of bacterial abundance and diversity in potato cyst nematode suppressive and conducive potato rhizosphere. PLOS One, 20(5), article number e0323382. doi: 10.1371/journal.pone.0323382.  
  13. Kiroyants, M.O. (2024). Formation of the rhizosphere microbial biome of spring barley under different fertilization systems in typical chornozem. (PhD thesis, National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine).
  14. Kovalenko, V., Serdiuk, P., Shevych, A., Serdiuk, O., & Zakorko, V. (2024). Reaction of potato varieties to treatment with nitrogen-fixing bacteria and biopreparations with mycorrhiza. Scientific Horizons, 27(11), 32-40. doi: 10.48077/scihor11.2024.32.
  15. Lu, P., et al. (2023). Metagenomic insights into the changes in the rhizosphere microbial community caused by the root-knot nematode Meloidogyne incognita in tobacco. Environmental Research, 216(4), article number 114848. doi: 10.1016/j.envres.2022.114848.
  16. Martins, B.R., Radl, V., Treder, K., Michałowska, D., Pritsch, K., & Schloter, M. (2024). The rhizosphere microbiome of 51 potato cultivars with diverse plant growth characteristics. FEMS Microbiology Ecology, 100(8), article number fiae088. doi: 10.1093/femsec/fiae088.
  17. Melnyk, A., & Kyryk, M. (2020). The biological preparations efficiency research for potato alternaria blight decrease in terms of Western Forest-Steppe of Ukraine. Interdepartmental Thematic Scientific Collection of Plant Protection and Quarantine, 66, 157-167. doi: 10.36495/1606-9773.2020.66.157-167.
  18. Molefe, R.R., Amoo, A.E., & Babalola, O.O. (2021). Metagenomic insights into the bacterial community structure and functional potentials in the rhizosphere soil of maize plants. Journal of Plant Interactions, 16(1), 258-269. doi: 10.1080/17429145.2021.1936228.
  19. Mousa, S., Magdy, M., Xiong, D., Nyaruabaa, R., Rizk, S.M., Yu, J., & Wei, H. (2022). Microbial profiling of potato-associated rhizosphere bacteria under bacteriophage therapy. Antibiotics, 11(8), article number 1117. doi: 10.3390/antibiotics11081117.
  20. Qin, J., Bian, C., Duan, S., Wang, W., Li, G., & Jin, L. (2022). Effects of different rotation cropping systems on potato yield, rhizosphere microbial community and soil biochemical properties. Frontiers in Plant Science, 13, article number 999730. doi: 10.3389/fpls.2022.999730.
  21. Rajapaksha, R.W.P.M., Attanayaka, D.P.S.T.G., Vivehananthan, K., & McNevin, D. (2024). Metagenomic analysis of endophytic bacteria in seed potato (Solanum tuberosum). Open Life Sciences, 19(1), article number 20220897. doi: 10.1515/biol-2022-0897.
  22. Rajguru, B., Shri, M., & Bhatt, V.D. (2024). Exploring microbial diversity in the rhizosphere: A comprehensive review of metagenomic approaches and their applications. 3 Biotech, 14(10), article number 224. doi: 10.1007/s13205-024-04065-9.
  23. Rasche, F., Hödl, V., Poll, C., Kandeler, E., Gerzabek, M.H., Van Elsas, J.D., & Sessitsch, A. (2006). Rhizosphere bacteria affected by transgenic potatoes with antibacterial activities compared with the effects of soil, wild-type potatoes, vegetation stage and pathogen exposure. FEMS Microbiology Ecology, 56(2), 219-235. doi: 10.1111/j.1574-6941.2005.00027.x.
  24. Song, J., Kong, Z.Q., Zhang, D.D., Chen, J.Y., Dai, X.F., & Li, R. (2021). Rhizosphere microbiomes of potato cultivated under Bacillus subtilis treatment influence the quality of potato tubers. International Journal of Molecular Sciences, 22(21), article number 12065. doi: 10.3390/ijms222112065.
  25. Wang, M., Zheng, C., Niu, Z., Liu, Z., Yang, Q., Zhang, J., Shang Q.B., Zhu F., & Wang, X. (2025). Microbial community in the potato rhizosphere in the Bashang region. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 33(10), 1948-1956. doi: 10.12357/cjea.20240196.
  26. Wang, Z., Li, Y., Zhao, Y., Zhuang, L., Yu, Y., Wang, M., Liu, J., & Wang, Q. (2021). A microbial consortium-based product promotes potato yield by recruiting rhizosphere bacteria involved in nitrogen and carbon metabolisms. Microbial Biotechnology, 14(5), 1961-1975. doi: 10.1111/1751-7915.13876.
  27. Zhao, T., et al. (2024). Unveiling potato cultivars with microbiome interactive traits for sustainable agricultural production. Plant, Cell & Environment. doi: 10.1111/pce.70019.
  28. Zhao, X., Lin, C., Yuan, W., Ruan, S., Qi, G., Wang, R., & Tan, J. (2021). Intergrated metagenomics and metabolomics analysis discovers nematicidal microbes, enzymes and metabolites from the plant rhizosphere microbiota. doi: 10.21203/rs.3.rs-187899/v3.