Как оценить здоровье почвы по «мета-омикам» («meta-omics»)?

Практически каждую неделю я выезжаю в регионы/хозяйства и обсуждаю с агрономами проблемы , что их волнует. И все больше разговоров о биологизации, как корректно управлять микробиотой- встает вопрос и о методах  оценки биома. Поэтому пост хочу посвятить современным методам оценки микробиома – главное,чо эти методы уже доступны в НИИ и ВУЗах.  

В данный момент можно исследовать -  метагеном, метапротеом, метапротеом и метаметаболом почв — т.е. пулы ДНК, РНК, белков и метаболитов, содержащиеся в почве. Исследующие их области науки (соответственно, метагеномика, метатранскриптомика, метапротеомика и метаметаболомика) составляют ряд «мета-омик» («meta-omics»).

Предлагаю остановиться лишь на самых общих понятиях, характеризующих данные подходы.

Метагеномика                                                                                                                                                      Ко второму десятилетию XXI в. приобрёл большую популярность молекулярный метод, который потенциально позволяет выявить биогеохимические функции микробных сообществ — метагеномный анализ. Метагеномика изучает генетический материал всех членов целого сообщества. Методы секвенирования нового поколения позволили исключить затратный по времени и приложенным усилиям процесс создания библиотеки клонов, использовавшийся до этого. Поскольку результат секвенирования метагенома представляет собой множество разрозненных нуклеотидных последовательностей, принадлежащих разным членам сообщества, на заключительном этапе осуществляется их сборка в имеющие смысл последовательности генов. Однако метагеномика, как впрочем остальные «мета-омики», не способна установить, какой конкретно вид потребляет или выделяет то или иное вещество, является ли активным и растущим компонентом микробной системы. Метагеномика определяет лишь потенциальные свойства и функции целого сообщества.                                                             Существуют и другие ограничения метагеномного подхода: 1) не всегда удаётся достичь достаточного перекрытия последовательностей для сборки генов всех организмов, особенно тех, чья доля в сообществе невелика; 2) невозможно функционально охарактеризовать гены, которые кодируют белки с неизвестными функциями. Тем не менее, метагеномика, несомненно, является очень мощным аналитическим инструментом, позволяющим при совмещении с другими методами значительно углубить представления об активности и функциях микробных сообществ почв.

Метатранскриптомика

Основной  недостаток описанного выше метагеномного анализа заключается в том, что наличие гена не свидетельствует о его экспрессии. Метатранскриптомика выгодно отличается от метагеномики тем, что исследует не генный состав сообщества, а его транскрипты — матричную РНК. Наличие генных транскриптов в клетках бактерий свидетельствует об экспрессии генов, кодирующих функциональные белки. Таким образом, метатранскриптомика потенциально может давать информацию о конкретных функциях, присущих бактериальному сообществу почв.

Тем не менее, ряд особенностей метатранскриптомики ограничивает её применимость для изучения биогеохимических функций почвенных микробиомов. К таким ограничениям относится быстрая деградация мРНК, трудности выделения прокариотической мРНК и удаления гуминовых кислот во время экстракции, различная кинетика транскрипции похожих генов в разных популяциях, низкая корреляция между уровнем мРНК и синтезом соответствующего белка. Быстрая деградация РНК требует проводить выделение как можно быстрее. После выделения РНК и вычитающей гибриди-

зации рРНК проводят обратную транскрипцию мРНК в кДНК, которую и анализируют. Как в случае метагеномики, результаты метатранскриптомного анализа природных сообществ обладают потенциалом для генерирования новых гипотез о функциях микробиомов, но не свидетельствуют о реализации этих функций в почвах.

Метапротеомика

Метапротеомика — изучение всех белков сообщества микроорганизмов.

Так как белки (точнее ферменты) вовлечены в метаболические процессы, метапротеомный анализ представляет собой подходящее средство для оценки функций почвенного сообщества. Если обнаружение гена метагеномными методами не означает, что этот ген экспрессируется в белок, то наличие самого белка уже может с большей надёжностью свидетельствовать о реализации конкретной биогеохимической функции. Метапротеомные исследования почв становятся более эффективны в комбинации с данными о видовом составе почвенного сообщества.

Метаметаболомика

Метаметаболомика занимается изучением полного набора метаболитов (метаболома), продуцируемого микробным сообществом, и отражает ферментативные пути и сети, закодированные в геноме. Метаметаболомика может успешно дополнять данные функциональной геномики и метапротеомики. 

 При подготовке  был использован литературный источник, находящийся в открытом  доступе:

АКТИВНОСТЬ И БИОМАССА ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ  Благодатская Е.В. , 2016

Буду благодарна за комментарии  - использовали ли вы данные методы для оценки представленности микробиома и его функций? Если – да – поделитесь пожалуйста опытом. Я готова поддержать обсуждение -есть партнеры, кто делал попытки прменить данную методологию.