Impact of fertilizers and DMPP on soil N2O emissions, as well as the development of a system to study the interaction between BNIs producing plants and a GFP-transformed Nitrosomonas europaea

Abstract

Nitrogen fertilizers are essential for plant metabolism. In order to prevent the pollution that is associated with their massive use in agriculture, it is essential to control their nitrogen content as well as combining them with compounds called “nitrification inhibitors”. These compounds are able to partially prevent the pollution associated with nitrogen inputs by inhibiting the nitrification process in the soil. Therefore, it is interesting to study the biological nitrification inhibition (BNI) activity of crop plants through ammonia-oxidizing bacteria such as Nitrosomonas europaea, since such activity could prevent the use of synthetic nitrification inhibitors that are associated with adverse effects to the environment.

The first objective of this work was to transform N. europaea with plasmids containing GFP and RFP genes in order to help study the interaction between biological nitrification inhibitors (BNI) producing plants and this bacteria. This work highlighted the fact that further optimizations of the plasmids are needed in order to have a successful transformation, such as specific gene promoters of N. europaea.

The second objective of this work was focused on the development of a plate-based bioassay to study the interaction of BNIs producing plants with N. europaea as well as the ability of wheat (LG skyscraper) to grow in HEPES media, the specific growth media of N. europaea. The feasibility of such a system was underlined, as it was possible to follow the growth of N. europaea in the solid media thanks to a pH indicator. However, further optimizations of the HEPES media are required to ensure its viability for wheat.

The third objective of this work was to assess the effect of DMPP (a synthetic nitrification inhibitor) and several fertilizers over N2O emissions in soil over time as well as their effect on nitrifier communities. Both DMPP and fertilizer type have shown to have a great influence on these emissions and on nitrifier communities, DMPP successfully inhibiting those emissions and reducing nitrifiers level, whereas ammonium addition to the soil had the opposite effect.

L’azote est un élément essentiel dans le métabolisme des plantes. Afin de réprimer les pollutions liées à son utilisation massive en agriculture, il est important d’optimiser le contenu en azote des fertilisants ainsi que de les combiner avec des composés appelés “inhibiteurs de nitrification”. Ceux-ci permettent de limiter la pollution dérivant d’applications d’azote en inhibant les processus de nitrification se déroulant dans le sol. Par conséquent, il est intéressant d’étudier l’activité d’inhibition biologique de la nitrification de plantes cultivées grâce à des bactéries nitrifiantes, puisqu’une telle activité pourrait prévenir l’utilisation d’inhibiteurs synthétiques de la nitrification qui sont associés à des effets délétères sur l’environnement.

Le premier objectif de ce travail a été de transformer N. europaea avec des plasmides contenant les gènes codant pour GFP et RFP afin d’étudier l’interaction entre les plantes produisant des inhibiteurs biologiques de la nitrification (BNI) et cette bactérie. Ce travail a permis de montrer que des optimisations des plasmides sont nécessaires afin d’aboutir à des transformations efficaces, telles que des optimisations liées à des promoteurs spécifiques de N. europaea.

Le second objectif de ce travail a été concentré sur le développement d’un essai biologique sur culture en boîte de Petri afin d’étudier d’une part l’interaction de plantes produisant des BNIs avec N. europaea et d’autre part la capacité du froment (LG skyscraper) à croître sur du milieu HEPES, milieu spécifique à la croissance de N. europaea. La faisabilité de ce type de système a été mise en évidence, étant donné que la croissance de N. europaea a pu être suivie dans le milieu solide à l’aide d’un indicateur de pH. Cependant, des optimisations du milieu HEPES sont encore nécessaires afin de d’assurer la viabilité du froment dans un tel système.

Le troisième objectif de ce travail de fin d’études a permis d’évaluer l’impact du DMPP (un inhibiteur synthétique de la nitrification) et de plusieurs types de fertilisants sur les émissions de N2O dans le sol au cours du temps, ainsi que leur effet sur les communautés nitrifiantes du sol. Il a été montré que le DMPP et le type de fertilisant ont une grande influence sur ces émissions et sur ces communautés nitrifiantes, le DMPP inhibant avec succès ces émissions et réduisant l’abondance des communautés nitrifiantes, alors que l’addition d’ammonium dans le sol ont montré des effets inverses.