Влияние продуктов деградации лигнина на динамику комплекса мицелиальных грибов в модельных условиях 

Галина Викторовна Ильина, доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры биологии, биологических технологий и ветеринарно-санитарной экспертизы, Пензенский государственный аграрный университет (Россия, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30), E-mail: ilyina.g.v@pgau.ru
Дмитрий Юрьевич Ильин, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры биологии, биологических технологий и ветеринарно-санитарной экспертизы, Пензенский государственный аграрный университет (Россия, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30), E-mail: ilyin.d.u@pgau.ru
Анна Андреевна Воробьёва, аспирант, Пензенский государственный аграрный университет (Россия, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30), E-mail: vorobieva.a.a@pgau.ru 

582.84+577.1 

DOI

10.21685/2307-9150-2021-4-8 

Актуальность и цели. Наблюдаемая практически повсеместно в настоящее время переэксплуатация почвы как производственного ресурса приводит к истощению запасов гумуса, являющегося, в свою очередь, важнейшим фактором плодородия. В естественных ценозах эта проблема не является столь существенной, поскольку запасы гумуса находятся в состоянии относительного динамического равновесия. Это достигается благодаря постоянному поступлению отмершей растительной органики в почву и слаженной деятельности комплекса микроорганизмов, обеспечивающих ее ступенчатую деградацию. Важное место в указанном комплексе занимают мицелиальные грибы, способные к ферментативной деструкции сложных полимеров (целлюлозы и особенно лигнина). На основании продуктов их неполного распада, а также их вторичных производных формируется сложный комплекс соединений фенольной природы слагающих вещество гумуса. Проявление физиологической и функциональной активности почвенных мицелиальных грибов в естественных условиях сопряжено с целым комплексом внешних параметров: влиянием гидрологических, эдафических, климатических факторов, взаимодействием с другими организмами, в том числе с ризосферной микрофлорой, видами-конкурентами и т.д. Существенный интерес представляет возможность влияния на ход развития гриба со стороны его природного субстрата: органической массы на разных стадиях разложения, а также интермедиатов, образующихся в процессе деструкции, в том числе производных лигнина, активных форм кислорода и др. По мнению многих авторов, лигнин и продукты его частичной деградации как компоненты субстрата способны оказывать значительное влияние на процессы развития и морфогенез грибов. В этой связи представляет интерес изучение влияния промежуточных продуктов распада лигнина на структуру комплекса микобиоты в модельных условиях. Целью исследований стало изучение роли интермедиата лигнина как фактора, обеспечивающего конкурентное преимущество зимогенной и автохтонной микобиоты на разных стадиях деструкции растительной органики. Материалы и методы. Объектами исследования послужили штаммы мицелиальных грибов Trichoderma viride Pers (TV-18), Aspergillus terreus Thom (Ater-12), Penicillium chrysogenum Thom (Pch-19), выделенные из серых лесных почв Пензенской области и поддерживаемые в коллекции мицелиальных культур Пензенского ГАУ. Культивирование мицелия проводили на среде Гетчинсона по общепринятым методикам. Эксперименты проводили с использованием типичного промежуточного продукта деградации лигнина – сиреневого альдегида, содержащего 34 % метоксильных групп (-ОСН3) в своем составе. О степени утилизации мицелием указанного продукта судили по динамике содержания метоксильных групп в среде. Определение содержания метоксильных групп в субстратах осуществлялось методом Цейзеля в модификации с применением газожидкостной хроматографии. Параметры развития мицелиальных культур оценивали по средней скорости роста мицелия, а также по интенсивности синтеза эргостерина как иллюстрации подготовки культуры к вторичному метаболизму. Определение содержания эргостерина в мицелии проводили газохроматографическим методом с дериватизацией неомыляемой фракции липидов, экстрагированных из мицелия по методу Фолча, в триметилсилильные производные. Статистическая обработка проводилась с помощью программы для обработки и анализа данных “Statistica 6.0”. Результаты. Исследования динамики развития культур мицелиальных грибов Trichoderma viride Pers (TV-18), Aspergillus terreus Thom (Ater-12), Penicillium chrysogenum Thom (Pch-19) осуществлялись при индивидуальном и совместном культивировании в модельных условиях в присутствии сиреневого альдегида на разных стадиях деструкции. Установлено, что при индивидуальном культивировании влияния на развитие T. viride со стороны сиреневого альдегида, содержащегося в питательной среде на уровне 0,25 %, не отмечается. Скорость роста, культурально-морфологические параметры (изменение пигментации мицелия, сроки наступления и интенсивность споруляции) практически не отличались от контрольного варианта, в котором сиреневый альдегид отсутствовал. Содержание метоксильных групп в питательной среде за период культивирования практически не изменилось. При изучении особенностей развития на среде Гетчинсона с добавлением сиреневого альдегида в количестве 0,25 % от состава среды культур A. terreus и P. chrysogenum обнаружена стимуляция роста мицелия грибов обоих видов, а также связь динамики содержания метоксильных групп с синтезом эргостерина, интенсивностью пигментации мицелия и споруляцией. Совместное культивирование трех изученных видов на указанной среде позволило установить угнетение развития культуры T. viride на фоне интенсивного развития A. terreus и P. chrysogenum. Причем в контрольном варианте T. viride проявила себя как сильный конкурент и благодаря высокой скорости роста как правило подавляла развитие A. terreus и P. chrysogenum в первые пять суток культивирования. Выводы. Изучены особенности развития распространенных видов почвенной микобиоты, вносящих значительный вклад в ход почвообразовательных процессов, в модельных условиях в присутствии продукта деструкции лигнина, богатого метоксильными группами – сиреневого альдегида. В экспериментах установлена роль данного компонента питательной среды как фактора, обеспечивающего конкурентные преимущества автохтонной микобиоте. Можно предположить, что присутствие продукта деструкции лигнина способно выступить как фактор отбора, определяющий конкурентный потенциал микобиоты и функциональную активность ее компонентов на разных стадиях почвообразовательного процесса. Учитывая, что сиреневый альдегид и сходные с ним фенольные соединения являются компонентами нерегулярной молекулы лигнина, высвобождаемыми в процессах гумификации, можно допустить существование аналогичных механизмов в естественных условиях. 

Ключевые слова

экология грибов, фенольные соединения, интермедиаты деградации лигнина, почвообразование, адаптационный потенциал грибов, экологические стратегии 

 Скачать статью в формате PDF

1. Ball B. C., Hargreaves P. R., Watson C. A. A framework of connections between soil and people can help improve sustainability of the food system and soil functions // Ambio. 2018. Vol. 47, № 3. P. 269–283. doi:10.1007/s13280-017-0965-z. PMID: 29178061.
2. Guo F., Qin S., Xu L., Bai Y., Xing B. Thermal degradation features of soil humic acid sub-fractions in pyrolytic treatment and their relation to molecular signatures // Science of The Total Environment. 2020. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.142318. PMID: 33370911.
3. Rhodes C. J. Temporal connection revealed from past usage of soil helps to bring awareness to policy workers of the need for the long-term preservation of soil quality for environmental conservation. The understanding of indirect and temporal connections can be helped by // Sci Prog. 2017. P. 80–129. doi:10.3184/003685017X14876775256 165. PMID: 28693674.
4. Стручкова И. В., Лазарева Е. С., Смирнов В. Ф. Амилазная и оксидоредуктазная активность микодеструктора Aspergillus terreus при его росте на новых полимерных материалах // Вестник Нижегородского университета имени Н. И. Лобачевского. 2010. № 2 (2). С. 591–595.
5. Ahmad K. S. Remedial potential of bacterial and fungal strains (Bacillus subtilis, Aspergillus niger, Aspergillus flavus and Penicillium chrysogenum) against organochlorine insecticide Endosulfan // Folia Microbiol (Praha). 2020. Vol. 65, № 5. P. 801–810. doi:10.1007/s12223-020-00792-7. PMID: 32383069.
6. Hewedy O. A., Abdel Lateif K. S., Seleiman M. F. [et al.]. Phylogenetic Diversity of Trichoderma Strains and Their Antagonistic Potential against Soil-Borne Pathogens under Stress Conditions // Biology (Basel). 2020. Vol. 9, № 8. P. 189. doi:10.3390/ biology9080189. PMID: 32718102.
7. Lee S., Monnappa A. K., Mitchell R. J. Biological activities of lignin hydrolysaterelated compounds // BMB Reports. 2012. Vol. 45, № 5. P. 265–274. doi:10.5483/ bmbrep.2012.45.5.265. PMID: 22617449.
8. Singh G., Singh S., Kaur K. [et al.]. Thermo and halo tolerant laccase from Bacillus sp. SS4: Evaluation for its industrial usefulness // Gen Appl Microbiol. 2019. Vol. 65, № 1. P. 26–33. doi:10.2323/jgam.2018.04.002. PMID: 29952346.
9. Henderson M. E., Farmer V. C. Utilization by soil fungi of p-hydroxybenzaidehyde, ferulic acid, syringaldehyde and vanillin // Gen Microbiol. 1955. Vol. 12, № 1. P. 37–46. doi:10.1099/00221287-12-1-37. PMID: 14354131.
10. Zhang D., Yan D., Cheng H. [et al.]. Effects of multi-year biofumigation on soil bacterial and fungal communities and strawberry yield // Environ Pollut. 2020. doi:10.1016/ j.envpol.2019.113415. PMID: 31672346.
11. Mhlongo S. I., Viljoen-Bloom M., Van Zyl W. H., Den Haan R. Lignocellulosic hydrolysate inhibitors selectively inhibit/deactivate cellulase performance // Enzyme and Microbial Technology. 2015. Vol. 81. P. 16–22. doi:10.1016/j.enzmictec.2015.07. 005. PMID: 26453468.
12. Бухало А. С. Высшие съедобные базидиомицеты в чистой культуре. Киев : Наукова думка, 1988. 144 с.
13. Закис Г. Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных. Рига : Зинатне, 1987. 230 с.
14. Folch J. A., Lees M., Sloane Stanley G. H. Simple Method for the Isolation and Purification of Total Lipides from Animal Tissues // The Journal of Biological Chemistry. 1957. Vol. 226. Р. 497–509.
15. Халафян А. А. Statistica 6. Статистический анализ данных. 3-е изд. М. : БиномПресс, 2007. 512 с.
16. Liu Y., Feng Y., Cheng D. [et al.]. Gentamicin degradation and changes in fungal diversity and physicochemical properties during composting of gentamicin production residue // Bioresour Technol. 2017. № 244. P. 905–912. doi:10.1016/j.biortech. PMID: 28847079.
17. Лыков Ю. С., Ильина Г. В., Ильин Д. Ю. Возможности стимуляции синтеза эргостерина мицелием ксилотрофных базидиомицетов в условиях глубинной культуры // Известия Пензенского государственного педагогического университета имени В. Г. Белинского. Естественные науки. 2011. № 25. С. 290–294.
18. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) : пер. с англ. / под ред. А. А. Леоновича. М. : Лесная промышленность, 1988. 512 с.
19. Rhodes C. J. The imperative for regenerative agriculture // Sci Prog. 2017. Vol. 100, № 1. P. 80–129. doi:10.3184/003685017X14876775256165. PMID: 28693674.