ОСНАЩЕНИЕ И УСЛУГИ ДЛЯ НАУЧНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ
Html code will be here
Микробиом почвы и здоровье животных: NGS в аграрных исследованиях
Продуктивность сельского хозяйства зависит не только от генетики растений и животных, но и от невидимых помощников – микробных сообществ, которые их окружают.
Микробиом почвы играет ключевую роль в росте растений, а микрофлора кишечника – в здоровье и продуктивности скота. До недавнего времени влияние этих микроскопических сообществ оценивалось косвенно, но теперь, с появлением метагеномных методов секвенирования, учёные могут изучать их напрямую.
Секвенирование нового поколения (NGS) позволяет проанализировать комплекс ДНК всего микробного сообщества образца – будь то горсть грунта или проба рубцового содержимого коровы.
Это открыло новую эпоху в аграрных исследованиях: фермеры и агрономы получили возможность понимать и управлять микробиомом для повышения урожайности и здоровья животных в агропромышленной сфере.
В этой статье расскажем, каких успехов удалось добиться благодаря NGS в изучении микробиома почвы и агротехнических животных, и как эти знания применяются на практике.
Почвенный микробиом – основа плодородия
Почва кишит жизнью: миллиарды бактерий и грибов участвуют в разложении органики, круговороте веществ, симбиозе с растениями. Традиционно плодородие почвы определяли по содержанию гумуса и минералов, но теперь стало ясно, что богатый микробиом не менее важен.
С помощью метагеномного секвенирования учёные сравнили образцы почв с разной урожайностью и обнаружили, что высокопродуктивные земли содержат большее разнообразие полезных микроорганизмов (азотфиксирующих, фосфатмобилизующих и др.). Напротив, истощённые или загрязнённые почвы отличаются бедным микробиомом и преобладанием узких групп микробов. Эти выводы привели к развитию концепции "биологического земледелия": помимо удобрений, важно поддерживать и восстанавливать микробное сообщество почвы. NGS-методы здесь полезны двояко. Во-первых, как инструмент мониторинга: фермер может регулярно проводить анализ почвенного микробиома – своего рода “биологический анализ почвы” – чтобы отслеживать, не падает ли разнообразие, присутствуют ли ключевые виды. Такие услуги уже начинают предлагаться: лаборатория принимает образец грунта, секвенирует 16С-рРНК гены микробов и выдает отчёт о состоянии микробиома. Во-вторых, NGS помог выделить штаммы-пробиотики для почвы.
Например, метагеномика плодородных чернозёмов выявила там новые штаммы Bacillus и Pseudomonas, которые подавляют патогены растений. Эти штаммы выделили, испытали и теперь используют в биопрепаратах для обработки семян и почвы (альтернатива химпестицидам). Ещё пример – при помощи метагеномного анализа почв рисовых полей нашли бактерии, снижающие выделение метана (метанотрофы), их рекомендовано культивировать для более экологичного рисоводства. Таким образом, анализ почвенного микробиома постепенно становится таким же агротехническим приёмом, как агрохимический анализ. Это особенно важно в условиях перехода на устойчивое сельское хозяйство с меньшей химической нагрузкой.
Контроль болезней растений через микробиом
Болезни сельхозкультур наносят огромный ущерб, и NGS предоставил новые средства борьбы. Во-первых, это быстрая диагностика фитопатогенов. При появлении неизвестных симптомов на поле, секвенирование ДНК прямо из поражённой ткани может выявить присутствие патогенного грибка или вируса за считанные дни. Например, при вспышке бактериального увядания томатов метагеномный анализ листьев подтвердил наличие определённого штамма Clavibacter, позволив вовремя локализовать очаг. Во-вторых, NGS помогает в прогнозе болезней. Анализ микробиома почвы или корней может показать, есть ли в латентном состоянии опасные патогены. Если их обнаружить на ранних этапах, можно предпринять превентивные меры (например, обработку биофунгицидами). Кроме того, стало ясно, что окружающий микробиом может защищать растение: явление “микробный щит” – когда полезные бактерии на корнях не дают патогенам закрепиться. Метагеномика выявила, что у устойчивых растений вокруг корней больше Pseudomonas и других антагонистов патогенов. Эти знания используются: при подготовке рассады теперь применяют инокуляцию полезными микробами, чтобы сформировать защитный микробиом. Все эти подходы (биодиагностика, биоконтроль) базируются на данных секвенирования, которое раскрыло состав сообществ и взаимодействия в ризосфере растений.
Микробиом жвачных и птицы – ключ к продуктивности
Перенесёмся к животноводству. Кишечный микробиом определяет эффективность кормления и здоровье животных не меньше, чем их генетика. Особенно это касается жвачных (коров, овец): в их рубце особое сообщество бактерий и простейших переваривает клетчатку. Metagenome-анализ рубцового содержимого коров с разной удойностью показал, что высокопродуктивные коровы имеют иной состав микробиоты – у них больше определённых целлюлозоразлагающих бактерий и метаногенных архей. Последних, кстати, ищут как раз, чтобы снизить выбросы метана: коровы – значимый источник парникового газа метана, а метан образуется микробами рубца. Найденные штаммы-метанотрофы или вещества, подавляющие метаногенов, сейчас тестируются как кормовые добавки, снижающие метановыделение без вреда для пищеварения. Идея такова: скорректировать микробиом, чтобы энергия шла на продуктивность, а не впустую улетала в виде метана.
Ещё аспект – болезни и антибиотики. В интенсивном животноводстве антибиотики применяют регулярно, но это ведёт к антибиотикорезистентности. NGS исследования микробиома показали, что есть возможности уменьшить заболевания, просто управляя микрофлорой. Например, у цыплят бройлеров часто случается дисбактериоз и связанный энтерит – оказалось, что добавление пребиотиков определённого типа стимулирует рост “правильных” бактерий (лакто- и бифидо-), и они вытесняют патогенные кишечные палочки, снижая заболеваемость. Такие рекомендации стали возможны после того, как метагеномика сопоставила состав микробиома здоровых и больных птиц. Теперь многие производители кормов вводят пробиотические препараты вместо профилактических антибиотиков – сохраняя здоровье стада и удовлетворяя требования рынка к “продукции без антибиотиков”. Более того, существуют программы геномной селекции скота с учётом микробиома: к примеру, у коров оценивается не только собственный генотип, но и “геном микробиома” – набор метагеномных маркеров, ассоциированных с лучшим усвоением корма. Подбирая коров с “правильным” микробиомом, фермер может получить более высокий выход молока на килограмм корма. Всё это – реальные примеры того, как NGS выходит из лабораторий на фермы.
Практические решения и сервисы
Аналогично почвенному анализу, появляются коммерческие сервисы для фермеров по анализу микробиоты животных. Например, компании предлагают исследовать кишечник коров или свиней: присылается набор для отбора проб (фекалий), лаборатория проводит секвенирование 16S рРНК и формирует отчёт – достаточно ли разнообразна микробиота, нет ли признаков дисбиоза, каковы уровни полезных бактерий. На основе этого дают рекомендации: изменить диету (больше клетчатки, или наоборот), добавить такой-то пробиотик. Пока это новинка, но спрос растет, особенно среди крупных хозяйств, где даже небольшое повышение коэффициента конверсии корма даёт большую экономию. В птицеводстве, например, микробиомный контроль уже включают в некоторые программы качества, чтобы минимизировать применение лечебных средств.
Экологический аспект
Применение NGS-методов в агроэкологии имеет и глобальное значение. Сельское хозяйство часто обвиняют в отрицательном влиянии на окружающую среду – химикаты в почве, парниковые газы от скота. Улучшая микробиом, можно частично решать эти проблемы. Почвенные микробы способны очищать загрязнения (биоремедиация) – и секвенирование помогает подобрать нужные штаммы. В севооборот вводят культуры, обогащающие почву азотофиксирующими бактериями (например, бобовые с их клубеньковыми бактериями) – так уменьшают потребность в азотных удобрениях, которые часто приводят к загрязнению вод. Анализ микробиома здесь показывает, сколько азота доступно благодаря микробам, оптимизируя внесение удобрений. Про метан от коров уже сказали – микробиологические добавки могут снизить его выделение на 20-30%. В масштабах планеты это значимо, учитывая, что животноводство – один из крупных источников метана. Все эти подходы продвигают идею устойчивого сельского хозяйства, и NGS – важнейший инструмент мониторинга устойчивости (biohealth soil indicators и т.д.).
Секвенирование нового поколения раскрывает перед аграриями ранее непостижимый пласт – мир микробов, обеспечивающих скрытую поддержку сельскому хозяйству.
Микробиом почвы и микробиом животных – это новые параметры плодородия и продуктивности, которые теперь можно измерять и улучшать. Мы на пороге времени, когда фермер будет следить не только за урожаем или надоями, но и за показателями микробного разнообразия в полях и хлевах. И это правильный путь: работая вместе с природой, а не против неё, можно добиться большего устойчивого успеха. NGS предоставил ключ к этой кооперации – подробную инструкцию, какие микробы нужны и полезны. Осталось только воплощать эти знания на практике. Уже сейчас микробиологические препараты, создаваемые на основе метагеномных исследований, завоевывают рынок агрохимии. В ближайшем будущем в агротехпаспорт поля будет включаться и микробиологический профиль. А фермы будут оптимизировать рационы не только под коров, но и под их микробиоту, используя NGS-аналитику. Такие перемены обещают повысить эффективность сельского хозяйства и снизить его негативный след. Невидимый мир микробов становится нашим союзником – и во многом благодаря тому, что секвенирование позволило нам его увидеть и понять.
Микробиом почвы играет ключевую роль в росте растений, а микрофлора кишечника – в здоровье и продуктивности скота. До недавнего времени влияние этих микроскопических сообществ оценивалось косвенно, но теперь, с появлением метагеномных методов секвенирования, учёные могут изучать их напрямую.
Секвенирование нового поколения (NGS) позволяет проанализировать комплекс ДНК всего микробного сообщества образца – будь то горсть грунта или проба рубцового содержимого коровы.
Это открыло новую эпоху в аграрных исследованиях: фермеры и агрономы получили возможность понимать и управлять микробиомом для повышения урожайности и здоровья животных в агропромышленной сфере.
В этой статье расскажем, каких успехов удалось добиться благодаря NGS в изучении микробиома почвы и агротехнических животных, и как эти знания применяются на практике.
Почвенный микробиом – основа плодородия
Почва кишит жизнью: миллиарды бактерий и грибов участвуют в разложении органики, круговороте веществ, симбиозе с растениями. Традиционно плодородие почвы определяли по содержанию гумуса и минералов, но теперь стало ясно, что богатый микробиом не менее важен.
С помощью метагеномного секвенирования учёные сравнили образцы почв с разной урожайностью и обнаружили, что высокопродуктивные земли содержат большее разнообразие полезных микроорганизмов (азотфиксирующих, фосфатмобилизующих и др.). Напротив, истощённые или загрязнённые почвы отличаются бедным микробиомом и преобладанием узких групп микробов. Эти выводы привели к развитию концепции "биологического земледелия": помимо удобрений, важно поддерживать и восстанавливать микробное сообщество почвы. NGS-методы здесь полезны двояко. Во-первых, как инструмент мониторинга: фермер может регулярно проводить анализ почвенного микробиома – своего рода “биологический анализ почвы” – чтобы отслеживать, не падает ли разнообразие, присутствуют ли ключевые виды. Такие услуги уже начинают предлагаться: лаборатория принимает образец грунта, секвенирует 16С-рРНК гены микробов и выдает отчёт о состоянии микробиома. Во-вторых, NGS помог выделить штаммы-пробиотики для почвы.
Например, метагеномика плодородных чернозёмов выявила там новые штаммы Bacillus и Pseudomonas, которые подавляют патогены растений. Эти штаммы выделили, испытали и теперь используют в биопрепаратах для обработки семян и почвы (альтернатива химпестицидам). Ещё пример – при помощи метагеномного анализа почв рисовых полей нашли бактерии, снижающие выделение метана (метанотрофы), их рекомендовано культивировать для более экологичного рисоводства. Таким образом, анализ почвенного микробиома постепенно становится таким же агротехническим приёмом, как агрохимический анализ. Это особенно важно в условиях перехода на устойчивое сельское хозяйство с меньшей химической нагрузкой.
Контроль болезней растений через микробиом
Болезни сельхозкультур наносят огромный ущерб, и NGS предоставил новые средства борьбы. Во-первых, это быстрая диагностика фитопатогенов. При появлении неизвестных симптомов на поле, секвенирование ДНК прямо из поражённой ткани может выявить присутствие патогенного грибка или вируса за считанные дни. Например, при вспышке бактериального увядания томатов метагеномный анализ листьев подтвердил наличие определённого штамма Clavibacter, позволив вовремя локализовать очаг. Во-вторых, NGS помогает в прогнозе болезней. Анализ микробиома почвы или корней может показать, есть ли в латентном состоянии опасные патогены. Если их обнаружить на ранних этапах, можно предпринять превентивные меры (например, обработку биофунгицидами). Кроме того, стало ясно, что окружающий микробиом может защищать растение: явление “микробный щит” – когда полезные бактерии на корнях не дают патогенам закрепиться. Метагеномика выявила, что у устойчивых растений вокруг корней больше Pseudomonas и других антагонистов патогенов. Эти знания используются: при подготовке рассады теперь применяют инокуляцию полезными микробами, чтобы сформировать защитный микробиом. Все эти подходы (биодиагностика, биоконтроль) базируются на данных секвенирования, которое раскрыло состав сообществ и взаимодействия в ризосфере растений.
Микробиом жвачных и птицы – ключ к продуктивности
Перенесёмся к животноводству. Кишечный микробиом определяет эффективность кормления и здоровье животных не меньше, чем их генетика. Особенно это касается жвачных (коров, овец): в их рубце особое сообщество бактерий и простейших переваривает клетчатку. Metagenome-анализ рубцового содержимого коров с разной удойностью показал, что высокопродуктивные коровы имеют иной состав микробиоты – у них больше определённых целлюлозоразлагающих бактерий и метаногенных архей. Последних, кстати, ищут как раз, чтобы снизить выбросы метана: коровы – значимый источник парникового газа метана, а метан образуется микробами рубца. Найденные штаммы-метанотрофы или вещества, подавляющие метаногенов, сейчас тестируются как кормовые добавки, снижающие метановыделение без вреда для пищеварения. Идея такова: скорректировать микробиом, чтобы энергия шла на продуктивность, а не впустую улетала в виде метана.
Ещё аспект – болезни и антибиотики. В интенсивном животноводстве антибиотики применяют регулярно, но это ведёт к антибиотикорезистентности. NGS исследования микробиома показали, что есть возможности уменьшить заболевания, просто управляя микрофлорой. Например, у цыплят бройлеров часто случается дисбактериоз и связанный энтерит – оказалось, что добавление пребиотиков определённого типа стимулирует рост “правильных” бактерий (лакто- и бифидо-), и они вытесняют патогенные кишечные палочки, снижая заболеваемость. Такие рекомендации стали возможны после того, как метагеномика сопоставила состав микробиома здоровых и больных птиц. Теперь многие производители кормов вводят пробиотические препараты вместо профилактических антибиотиков – сохраняя здоровье стада и удовлетворяя требования рынка к “продукции без антибиотиков”. Более того, существуют программы геномной селекции скота с учётом микробиома: к примеру, у коров оценивается не только собственный генотип, но и “геном микробиома” – набор метагеномных маркеров, ассоциированных с лучшим усвоением корма. Подбирая коров с “правильным” микробиомом, фермер может получить более высокий выход молока на килограмм корма. Всё это – реальные примеры того, как NGS выходит из лабораторий на фермы.
Практические решения и сервисы
Аналогично почвенному анализу, появляются коммерческие сервисы для фермеров по анализу микробиоты животных. Например, компании предлагают исследовать кишечник коров или свиней: присылается набор для отбора проб (фекалий), лаборатория проводит секвенирование 16S рРНК и формирует отчёт – достаточно ли разнообразна микробиота, нет ли признаков дисбиоза, каковы уровни полезных бактерий. На основе этого дают рекомендации: изменить диету (больше клетчатки, или наоборот), добавить такой-то пробиотик. Пока это новинка, но спрос растет, особенно среди крупных хозяйств, где даже небольшое повышение коэффициента конверсии корма даёт большую экономию. В птицеводстве, например, микробиомный контроль уже включают в некоторые программы качества, чтобы минимизировать применение лечебных средств.
Экологический аспект
Применение NGS-методов в агроэкологии имеет и глобальное значение. Сельское хозяйство часто обвиняют в отрицательном влиянии на окружающую среду – химикаты в почве, парниковые газы от скота. Улучшая микробиом, можно частично решать эти проблемы. Почвенные микробы способны очищать загрязнения (биоремедиация) – и секвенирование помогает подобрать нужные штаммы. В севооборот вводят культуры, обогащающие почву азотофиксирующими бактериями (например, бобовые с их клубеньковыми бактериями) – так уменьшают потребность в азотных удобрениях, которые часто приводят к загрязнению вод. Анализ микробиома здесь показывает, сколько азота доступно благодаря микробам, оптимизируя внесение удобрений. Про метан от коров уже сказали – микробиологические добавки могут снизить его выделение на 20-30%. В масштабах планеты это значимо, учитывая, что животноводство – один из крупных источников метана. Все эти подходы продвигают идею устойчивого сельского хозяйства, и NGS – важнейший инструмент мониторинга устойчивости (biohealth soil indicators и т.д.).
Секвенирование нового поколения раскрывает перед аграриями ранее непостижимый пласт – мир микробов, обеспечивающих скрытую поддержку сельскому хозяйству.
Микробиом почвы и микробиом животных – это новые параметры плодородия и продуктивности, которые теперь можно измерять и улучшать. Мы на пороге времени, когда фермер будет следить не только за урожаем или надоями, но и за показателями микробного разнообразия в полях и хлевах. И это правильный путь: работая вместе с природой, а не против неё, можно добиться большего устойчивого успеха. NGS предоставил ключ к этой кооперации – подробную инструкцию, какие микробы нужны и полезны. Осталось только воплощать эти знания на практике. Уже сейчас микробиологические препараты, создаваемые на основе метагеномных исследований, завоевывают рынок агрохимии. В ближайшем будущем в агротехпаспорт поля будет включаться и микробиологический профиль. А фермы будут оптимизировать рационы не только под коров, но и под их микробиоту, используя NGS-аналитику. Такие перемены обещают повысить эффективность сельского хозяйства и снизить его негативный след. Невидимый мир микробов становится нашим союзником – и во многом благодаря тому, что секвенирование позволило нам его увидеть и понять.