Микромир почвы: разнообразие и скрытые возможности.

Почвенные сообщества микроорганизмов являются наиболее разнообразными сообществами. Количество видов бактерий на грамм почвы оценивается как 10⁶ . Возможность исследовать ДНК, содержащуюся в образцах почвы, позволила преодолеть существенное препятствие, стоявшее перед исследователями, изучавшими биоразнообразие почвенных микроорганизмов, а именно – невозможность выделить в культуру большую часть представителей микробного сообщества почв. Это обстоятельство было установлено ещё в 1898 Генрихом Винтербергом, который обратил внимание на глубокие расхождения результатов исследования микробиоты окружающей среды, полученных микроскопическим и культуральным методами. Только 1% видового разнообразия почвенной микробиоты был охарактеризован путём выделения культуры и её изучения. Культуральный метод позволяет непосредственно оценить различные биологические характеристики микроорганизма, однако он может быть недостаточно надёжен из-за того что условия существования в культуре и в естественной среде обитания могут значительно различаться.

На разнообразие микробного сообщества почвы влияет её кислотность, влажность и присутствие органического углерода растительного происхождения. Почвы различных сообществ отличаются, как правило, не по одному параметру, а по многим, поэтому сложно установить, что именно повлияло на состав микробиоты в каждом конкретном случае. Например, наибольшее биоразнообразие выявляется в нейтральных почвах. В кислых почвах, будь то тундра или тропический лес в Перу, биоразнообразие ниже, снижено они и в щелочных почвах пустынь. Значит ли это, что виной такому распределению именно кислотно-основные свойства почвы? Возможно, что более бедное биоразнообразие образца почвы из арктической пустыни объясняется солёностью почвы, недостатком воды и растительного опада, наконец, экстремальными температурными условиями.

В любом почвенном бактериальном сообществе доминируют представители фил Acidobacteria, Actinobacteria,Bacteroidetes, Proteobacteria и Verrucomicrobia ,  иногда в высокой концентрации присутствуют и микроорганизмы филы Firmicutes. также можно найти представителей Chloroflexi, Cyanobacteria, и Gemmatimonadetes , однако на их долю не придётся более 5% обнаруженной 16S рРНК (за исключением, разве что Cyanobacteria, которые могут быть в большом количестве представлены в почве пустынь). Археи встречаются в почве в меньшем количестве, чем бактерии (0.01–6.7% выявленных последовательностей), более представленными они оказались в образцах из жарких пустынь и одном образце из тропического леса. Actinobacteria, Bacteroidetes и Cyanobacteria чаще встречаются в пустынных почвах, Verrucomicrobia и Acidobacteria, напротив, реже встречаются в таких сообществах. Лесные почвы содержат больше Acidobacteria и меньше бета-протеобактерий. Почвы сельскохозяйственных угодий, наоборот, заселены бета-протеобактериями, а Acidobacteria представлены в них в меньших количествах. Бета-протеобактерии чаще встречаются в почвах, куда поступает большое количество углерода в составе растительного опада. В пустынных почвах эти микроорганизмы присутствуют в малых количествах.

Исследуя насыщенные микроорганизмами почвенные пробы сложно понять свойства отдельных организмов без возможности выделить их в чистые культуры. С другой стороны, это позволяет рассматривать почву или любой другой подобный образец, содержащий совокупность взаимодействующих друг с другом микроорганизмов как единый метаорганизм. Между таксономическим составом и разнообразием генов сообщества прослеживается прямая связь. Наука, занимающаяся исследованием биологических свойств сообщества на основании представленной в нём ДНК, которую можно считать его геномом, называется метагеномика. Метатранскриптомика, метапротеомика и метаметаболомика изучают, соответственно, совокупность транскрибируемой РНК, транслируемых белков и синтезируемых в сообществе метаболитов. Метагеномика даёт понимание потенциала сообщества, но как реализуется этот потенциал из геномных данных не ясно. Протеомные исследования позволяют оценить изменения, происходящие в сообществе под влиянием различных изменений. Однако чтобы использовать эти методы в полном объёме, необходима разработка щадящих методов выделения белков из почвы.

Исследование метагенома различных почв позволяет понять, как существует то или иное сообщество. Например, в метагеноме пустынных почв меньше генов, связанных с метаболизмом азота, калия и серы, разрушение сложных биогенных молекул, но больше генов, отвечающих за покоящееся состояние и формирование спор, аминокислотный метаболизм (аминокислоты используются бактериями для осморегуляции). Важное отличие метагенома пустынных почв затрагивает и гены, участвующие во взаимодействии микроорганизмов, в частности, отвечающих за синтез антибиотиков и устойчивость к ним. Эти гены участвуют в конкурентной борьбе микроорганизмов. Однако в пустынных почвах более важны процессы адаптации, чем конкуренции и у организмов, заселяющих их не много генов, вовлечённых в конкурентные взаимодействия.

Если кишечные палочки или какие-либо другие легко культивируемые микроорганизмы могут поддержать функционирование вновь открытого гена, можно создать генноинженерный штамм, который поможет понять функцию такой последовательности. К сожалению, в ряде случаев это не так. Ещё одна проблема – разработка методов выявления энзиматической активности. Микроорганизмы почв содержат множество ферментов, в которых нуждается биотехнологическое производство. При исследовании почвенной микробиоты были найдены новые ферменты, такие как липазы. Эти ферменты не требуют для работы кофакторов, стабильны в органических растворителях, специфичны к различным субстратам, при этом могут быть чувствительны в стериометрической конформации, что делает их крайне удобными для тонкого органического синтеза. Ферменты, разрушающие целлюлозу и клеточные стенки растительных клеток могут применяться в биоэнергетических целях, но они плохо экспрессируются в клетках кишечной палочки, так что данный подход требует дополнительных исследований.