Оценка биоразнообразия грибов арбускулярной микоризы при восстановительной сукцессии на песчаных карьерах

   Грибы арбускулярной микоризы (АМГ) играют ключевую роль в восстановительных сукцессиях растительных сообществ после антропогенных нарушений, в частности на песчаных карьерах. АМГ помогают растениям в водном и минеральном питании, ускоряя восстановление растительного покрова.

   Целью исследования было изучить биоразнообразие АМГ молекулярно-генетическими методами на разных стадиях зарастания двух карьеров Ленинградской области.

   Молекулярно-генетическая идентификация грибов проводилась с использованием анализа Illumina MiSeq по регионам ITS1 и ITS2 в качестве баркода для поиска операционных таксономических единиц с идентификацией микроорганизмов до вида. Референсом служила адаптированная и проверенная на ошибки база генетических последовательностей АМГ из NCBI. В исследовании использовалась оптимизированная для песчаных почв методика выделения нуклеиновых кислот. Максимальное биоразнообразие АМГ наблюдалось на начальных стадиях зарастания – пионерной и злаковой. На кустарниковой стадии разнообразие снижалось в пять раз, а затем на лесной стадии восстанавливалось почти до уровня злаковой. Биоразнообразие и видовой состав АМГ могут значительно меняться между стадиями восстановительной сукцессии, что может в первую очередь зависеть от биоразнообразия трав, с которым АМГ вступают в симбиотические отношения наиболее эффективно. Показана достоверная отрицательная корреляция между числом видов АМГ и числом видов древесных растений. Проведенное исследование может помочь в понимании того, как развивается растительно-грибной симбиоз в восстановительных сукцессиях и какие АМГ наиболее эффективно помогают в восстановлении растительного покрова.

1. Aikio S. Plant Adaptive Strategies in Relation to Variable Resource Availability, Soil Microbial Processes and Ecosystem Development. Acad. diss. Oulu, 2000

2. Akhmetzhanova A.A., Soudzilovskaia N.A., Onipchenko V.G., Cornwell W.K., Agafonov V.A., Selivanov I.A., Cornelissen J.H.C. A rediscovered treasure: mycorrhizal intensity database for 3000 vascular plant species across the former Soviet Union. Ecology. 2012; 93(2):689-690. doi: 10.1890/11-1749.1

3. Edgar R.C. Search and сlustering orders of magnitude faster than BLAST. Bioinformatics. 2010;26(19):2460-2461. doi: 10.1093/bioinformatics/btq461

4. Ganugi P., Masoni A., Pietramellara G., Benedettelli S. A review of studies from the last twenty years on plant-arbuscular mycorrhizal fungi associations and their uses for wheat crops. Agronomy. 2019; 9(12):840. doi: 10.3390/agronomy9120840

5. Gorbunova A.O., Sumina O.I. Dynamics of mycorrhization in some plant species during progressive succession on sand quarries (Leningrad region). Botanicheskii Zhurnal = Botanical Journal. 2021; 106(1):22-42. doi: 10.31857/S0006813621010051 (in Russian)

6. Janowski D., Leski T. Factors in the distribution of mycorrhizal and soil fungi. Diversity. 2022;14(12):1122. doi: 10.3390/d14121122

7. Jeffries P., Barea J.M. Arbuscular mycorrhiza – a key component of sustainable plant-soil ecosystems. In: Hock B. (Ed.) The Mycota. Vol. 9. Berlin; Heidelberg: Springer, 2001;95-113. doi: 10.1007/978-3-662-07334-6_6

8. Jumpponen A., Trappe J.M., Cazares E. Occurrence of ectomycorrhizal fungi on the forefront of retreating Lyman Glacier (Washington, USA) in relation to time since deglaciation. Mycorrhiza. 2012;12: 43-49. doi: 10.1007/s00572-001-0152-7

9. Kiers E.T., Duhamel M., Beesetty Y., Mensah J.A., Franken O., Verbruggen E., Fellbaum C.R., Kowalchuk G.A., Hart M.M., Bago A., Palmer T.M., West S.A., Vandenkoornhuyse P., Jansa J., Bucking H. Reciprocal rewards stabilize cooperation in the mycorrhizal symbiosis. Science. 2011;333(6044):880-882. doi: 10.1126/science.1208473

10. Kryukov A.A., Gorbunova A.O., Machs E.M., Mikhaylova Y.V., Rodionov A.V., Zhurbenko P.M., Yurkov A.P. Perspectives of using Illumina MiSeq for identification of arbuscular mycorrhizal fungi. Vavilov J Genet Breed. 2020;24(2):158-167. doi: 10.18699/VJ19.38-o

11. Lambers H., Raven J.A., Shaver G.R., Smith S.E. Plant nutrient-acquisition strategies change with soil age. Trends Ecol Evol. 2008;23(2): 95-103. doi: 10.1016/j.tree.2007.10.008

12. Maniatis T., Fritsch E.F., Sambrook J. Molecular Cloning. A Laboratory Manual. New York: Cold Spring Harbor Laboratory, 1982

13. Neuenkamp L., Zobel M., Koorem K., Jairus T., Davison J., Öpik M., Vasar M., Moora M. Light availability and light demand of plants shape the arbuscular mycorrhizal fungal communities in their roots. Ecol Lett. 2021;24(3):426-437. doi: 10.1111/ele.13656

14. Öpik M., Davison J., Moora M., Zobel M. DNA based detection and identification of Glomeromycota: the virtual taxonomy of environmental sequences. Botany. 2014;92(2):135-147. doi: 10.1139/cjb-20130110

15. Pinaev A.G., Kichko A.A., Aksenova T.S., Safronova V.I., Kozhenkova E.V., Andronov E.E. RIAM: a universal accessible protocol for the isolation of high purity DNA from various soils and other humic substances. Methods Protoc. 2022;5(6):99. doi: 10.3390/mps5060099

16. Senés-Guerrero C., Schüßler A. A conserved arbuscular mycorrhizal fungal core-species community colonizes potato roots in the Andes. Fungal Divers. 2015;77(1):317-333. doi: 10.1007/s13225-015-0328-7

17. Smith S.E., Read D.J. Mycorrhizal Symbiosis. Cambridge: Academic Press, 2008

18. Spatafora J.W., Chang Y., Benny G.L., Lazarus K., Smith M.E., Berbee M.L., Bonito G., Corradi N., Grigoriev I., Gryganskyi A., James T.Y., O’Donnell K., Roberson R.W., Taylor T.N., Uehling J., Vilgalys R., White M.M., Stajich J.E. A phylum-level phylogenetic classification of zygomycete fungi based on genome-scale data. Mycologia. 2017;108(5):1028-1046. doi: 10.3852/16-042

19. Sumina O.I., Vlasov D.Y., Dolgova L.L., Safronova E.V. Formation features of the micromycete communities in overgrown sand quarries of the North of Western Siberia. Vestnik SPbGU. Seriya 3. Biologiya = Vestnik of Saint Petersburg University. 2010;2:84-90 (in Russian)

20. van der Heijden M.G.A., Klironomos J.N., Ursic M., Moutoglis P., Streit wolf-Engel R., Boller T., Wiemken A., Sanders I.R. Mycorrhizal fungal diversity determines plant biodiversity, ecosystem variability and productivity. Nature. 1998;396:72-75. doi: 10.1038/23932

21. van der Heijden M.G.A., Martin F.M., Selosse M.-A., Sanders I.R. Mycorrhizal ecology and evolution: the past, the present, and the future. New Phytol. 2015;205:1406-1423. doi: 10.1111/nph.13288

22. Wang B., Qiu Y.L. Phylogenetic distribution and evolution of mycorrhizas in land plants. Mycorrhiza. 2006;16:299-363. doi: 10.1007/s00572-005-0033-6

23. Wu Q.-S. (Ed.) Arbuscular Mycorrhizas and Stress Tolerance of Plants. Singapore: Springer, 2017. doi: 10.1007/978-981-10-4115-0

24. Yurkov A.P., Kryukov A.A., Gorbunova A.O., Kudriashova T.R., Kovalchuk A.I., Gorenkova A.I., Bogdanova E.M., Laktionov Y.V., Zhurbenko P.M., Mikhaylova Y.V., Puzanskiy R.K., Bagrova T.N., Yakhin O.I., Rodionov A.V., Shishova M.F. Diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in distinct ecosystems of the North Caucasus, a temperate biodiversity hotspot. J Fungi. 2024;10(1):11. doi: 10.3390/jof10010011

25. Zobel M., Öpik M. Plant and arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) communities – which drives which? J Veg Sci. 2014;25(5):1133-1140. doi: 10.1111/jvs.12191