Sink stimulation of leaf photosynthesis by the carbon costs of rhizobial and arbuscular mycorrhizal fungal symbioses

Key words: biochemical model of leaf photosynthesis; carbon sink strength; chlorophyll fluorescence; harvest index; leaf protein; leaf senescence; legumes; photosynthetic nutrient use efficiency; Pi recycling; source-sink regulation; ureides One of the most fascinating processes in plant physiology and agronomy is the capability of legumes to associate symbiotically with rhizobial bacteria and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. The legumes supply photosynthates in exchange for nitrogen, derived from biological N2 fixation, and soil nutrients mainly phosphate, obtained from foraging of AM fungi from the soil. The rhizobial and arbuscular mycorrhizal symbioses each may use 4-16% of recently fixed photosynthates to maintain their activity, growth and reserves, but in turn, may supply 100% of the plant nutrient requirements. The C costs of the symbioses are often assumed to limit plant productivity due to photosynthate competition between the microsymbiont and the host. In addition, the C costs are often used as an entry point to understand the evolution of the symbioses. It is intriguing that despite of the symbiotic C costs, plants associated with rhizobia and/or AM fungi often produce more biomass and grains than fertilized plants. Increases in plant growth are traditionally attributed to improved plant nutrition and enhanced photosynthesis. This thesis gives evidence that plants – and particularly legumes – are able to overcome any putative C limitation associated with rhizobial and AM fungal symbioses by increasing the rates of photosynthesis due to sink stimulation, over and above the expected nutritional benefits from the symbioses. Sink stimulation of photosynthesis is a consequence of increased C demand from photosynthesis, which increases the export of triose-P from chloroplasts, recycling more inorganic phosphates and activating more photosynthetic enzymes. In the thesis, I report a literature study, which provides a framework for the quantification of sink stimulation of photosynthesis. Apparently, sink stimulation of photosynthesis by symbioses just equals the C costs, which in the long term is still beneficial for plant growth. Sink stimulation of photosynthesis implies that plants and symbioses are not limited by photosynthates, which means that the cost : benefit theories for symbioses need to be re-conceptualized. Photosynthesis is limited by three biochemical processes: rubisco activity, electron transport, and triose-P export (often referred as sink limitation). In Chapter 3, I apply a biochemical model expressing these three limitations in CO2 response curves of soybean (Glycine max [L.] Merrill) inoculated with rhizobial strains with putative different C costs (Bradyrhizobium japonicum CPAC 390 or CPAC 7) or fertilized with KNO3, to understand the effects of rhizobial symbioses on the photosynthetic capacity. Plants associated with putatively more expensive strains have higher photosynthetic capacity than those associated with less ‘expensive strains’. The effect of sink stimulation of photosynthesis is evident because plants with higher triose-P export rates consistently had higher rates of electron transport and rubisco activity. These results suggest that the C costs of rhizobial symbioses generate feedbacks between the rates of triose-P export with rubisco activity and electron transport rates. I also describe three subsequent experiments with two different soybean varieties nodulated with two rhizobial strains or fertilized with two doses of KNO3 fertilizer. Plants associated with rhizobial symbioses always had higher rates of photosynthesis and accumulated less starch in the leaves than N-fertilized plants throughout the whole cycle. Furthermore, nodulated plants maintained higher chlorophyll concentrations for a longer period than N-fertilized plants. Both photosynthesis and N2 fixation were synchronized over the plant cycle. One of the conclusions of Chapter 4 is that C costs of rhizobial symbioses lead to sink stimulation of photosynthesis, which in turn, delays leaf senescence. These mechanisms together are likely to contribute for increase in plant productivity. Overall, the thesis indicates that the C costs of symbioses are not disadvantageous, as usually thought. Higher activity of rhizobial and AM fungal symbioses results in sink stimulation of photosynthesis, which leads to higher plant growth over time. Sink stimulation of photosynthesis implies that the microsymbionts and plants are not limited by photosynthate. Increased rates of photosynthesis in initial stages of plant development delay the rates of leaf senescence in the later stages of plant development. The C costs of symbioses bring advantages to the plant’s adaptation under elevated CO2 concentration, because they remove the sink limitation of photosynthesis. It means that effectiveness of the symbioses (the capacity to supply nutrients) is more important than the C costs or the efficiency with which photosynthates are used. <br/

Três décadas de estudos sobre biomassa microbiana nos ecossistemas brasileiros: lições aprendidas sobre qualidade do solo e indicadores de sustentabilidade.

Desde a publicação do método de determinação do carbono da biomassa microbiana (CBM), foram realizados dezenas de estudos no Brasil sobre os efeitos dos diferentes usos do solo sobre o CBM e parâmetros relacionados. Nesse trabalho, tais estudos foram compilados com o objetivo de identificar as melhores estratégias para assegurar a sustentabilidade do uso do solo. Foram avaliadas as práticas de plantio direto (PD) e convencional (PC), rotações de culturas, pastagens, agricultura orgânica, queimadas, e aplicação de resíduos industriais e agroquímicos. Os efeitos do PD sobre o PC para aumentar o CBM e reduzir o qCO2 (quociente metabólico: respiração basal/CBM) foram confirmados por uma meta-análise abrangendo 233 observações experimentais. A agricultura orgânica, a rotação de culturas e a diminuição da aplicação de agroquímicos promoveram o CBM e o quociente microbiano (CBM/C orgânico total). As pastagens degradadas resultaram em diminuição do CBM, mas as pastagens rotacionadas com culturas anuais foram favoráveis à microbiota do solo. Não foram constatadas tendências claras para a resposta do CBM à aplicação de resíduos industriais. Constatouse que a avaliação do CBM é uma metodologia sólida para a avaliação da qualidade do solo no Brasil. Contudo, as relações entre o CBM, a ciclagem de nutrientes, a diversidade e a funcionalidade microbiana do solo ainda não são completamente entendidas

Quantificando os efeitos de diferentes usos agrícolas na biomassa microbiana do solo nos biomas brasileiros.

O Brasil ocupa hoje a terceira colocação na produção agropecuária mundial. Por isso, a manutenção da qualidade do solo nas áreas agrícolas deve ser um dos principais objetivos de agricultores, ambientalistas e governo. Diversos atributos têm sido considerados como indicadores de qualidade do solo, entre eles, o C da biomassa microbiana do solo (CBM) e atributos relacionados. Neste estudo, é apresentada uma meta-análise de 68 experimentos sobre os efeitos de diferentes usos agrícolas na CBM e parâmetros relacionados nos biomas da Amazônia, Mata Atlântica, Caatinga, Cerrados, Pantanal e Pampas. A meta-análise mostrou uma redução generalizada, em todos os usos agrícolas verificados, no CBM, no carbono orgânico total (COT), na razão CBM/COT e de maneira geral, um incremento no quociente metabólico (qCO2, respiração total/CBM). Entretanto, os cultivos anuais reduziram a CBM mais drasticamente do que cultivos perenes e pastagens. A meta-análise também mostrou que, devido ao uso agrícola do solo, o CBM e a CBM/COT foram reduzidos mais drasticamente nos Cerrados, Amazônia e Pantanal do que nos demais biomas. Isto poderia indicar que esses biomas têm uma menor resiliência microbiana aos distúrbios provocados pelo uso agrícola

Abundância de fungos micorrízicos arbusculares e biomassa total fúngica e bacteriana de solos cultivados com cana de açúcar.

A cana de açúcar movimenta no Brasil cerca de R$40 bilhões por ano com a produção e comercialização de açúcar e etanol. Os micro-organismos do solo têm são fundamentais no ciclo dos nutrientes, destacando os Fungos Micorrízicos Arbusculares (FMAs) no fornecimento de fósforo para as plantas. Os objetivos desse trabalho foram determinar os parâmetros quantitativos da microbiota do solo através da avaliação da abundância de esporos dos FMAs e biomassa total de fungos e bactérias utilizando a técnica de microscopia de Epifluorescência, em mata ciliar e em canaviais com diferentes manejos do solo. Foram selecionadas seis áreas no Estado de São Paulo e as amostras de solo foram coletadas nos períodos de outubro/novembro de 2010. A abundância de esporos dos FMAs junto ao manejo de cana de açúcar não apresentaram diferenças significativas. Houve aumento significativo do pH do solo nos solos manejados em relação com a mata ciliar. O baixo pH do solo não interferiu na comunidade dos FMAs e também não afetou na biomassa de fungos e bactérias. Foram observadas diferenças significativas no aumento para biomassa de bactérias e fungo+bactérias do solo no manejo com cana queimada, com aplicação de vinhaça e colheita mecanizada em relação à cana crua, sem vinhaça e colheita manual. Este é o primeiro estudo que se tem conhecimento realizado no Brasil utilizando a técnica de microscopia de epifluorescência para estimar a biomassa total de carbono de fungos e bactérias e os resultados apresentados aqui estão de coerentes com outros estudos da literatura. Desse modo a técnica é promissora e poderá ser utilizada em futuros estudos no Brasil.Fertbio

Relação entre os diferentes sistemas de manejo e profundidades na atividade microbiana do solo.

RESUMO ? As vantagens do plantio direto (PD) sobre o plantio convencional (PC) em relação à qualidade ambiental são resultantes das propriedades físicas, químicas e biológicas que ocorrem no solo. No entanto, a maioria das avaliações considera apenas as camadas superficiais do solo, não corrigindo seus valores pela densidade para realmente explicar as alterações ocorridas no solo. Neste estudo foram avaliados os parâmetros de carbono orgânico total (COT), nitrogênio total (NT) e biomassa microbiana (BM) pelo método de incubação e extração em um Latossolo Vermelho Escuro de Londrina, PR, com sucessão das culturas de soja (verão) / trigo (inverno), sob PD e PC por 20 anos. As amostras de solo foram coletadas nas entrelinhas em pleno florescimento da cultura da soja, nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 e 50-60 cm. Através da somatória das profundidades (0-60 cm) e considerando os valores de densidade do solo, o PD apresentou um aumento significativo nos estoques de carbono e nitrogênio da biomassa microbiana (CBM e NBM), respiração basal (RB) e respiração basal induzida [RB(i)]. Em relação aos parâmetros de NT e COT, quando comparado ao PC, o PD apresentou ganhos de 106 kg N ha-1ano-1 e 0,8 Mg C ha-1ano-1, dos quais 67% se concentram na camada de 0-30 cm. Na camada de 0-60 cm, o PD apresentou taxas anuais de acúmulo de 1,34 kg NBM ha-1 ano-1 e 38,2 kg CBM ha-1 ano-1, sendo que na camada de 0-5 cm, a concentração no PD foi 82% superior à do PC

Advances in Host Plant and Rhizobium Genomics to Enhance Symbiotic Nitrogen Fixation in Grain Legumes

Legumes form symbiotic relationship with root-nodule, rhizobia. The nitrogen (N2) fixed by legumes is a renewable source and of great importance to agriculture. Symbiotic nitrogen fixation (SNF) is constrained by multiple stresses and alleviating them would improve SNF contribution to agroecosystems. Genetic differences in adaptation tolerance to various stresses are known in both host plant and rhizobium. The discovery and use of promiscuous germplasm in soybean led to the release of high-yielding cultivars in Africa. High N2-fixing soybean cultivars are commercially grown in Australia and some countries in Africa and South America and those of pea in Russia. SNF is a complex trait, governed by multigenes with varying effects. Few major quantitative trait loci (QTL) and candidate genes underlying QTL are reported in grain and model legumes. Nodulating genes in model legumes are cloned and orthologs determined in grain legumes. Single nucleotide polymorphism (SNP) markers from nodulation genes are available in common bean and soybean. Genomes of chickpea, pigeonpea, and soybean; and genomes of several rhizobium species are decoded. Expression studies revealed few genes associated with SNF in model and grain legumes. Advances in host plant and rhizobium genomics are helping identify DNA markers to aid breeding of legume cultivars with high symbiotic efficiency. A paradigm shift is needed by breeding programs to simultaneously improve host plant and rhizobium to harness the strength of positive symbiotic interactions in cultivar development. Computation models based on metabolic reconstruction pathways are providing greater insights to explore genotype–phenotype relationships in SNF. Models to simulate the response of N2 fixation to a range of environmental variables and crop growth are assisting researchers to quantify SNF for efficient and sustainable agricultural production systems. Such knowledge helps identifying bottlenecks in specific legume–rhizobia systems that could be overcome by legume breeding to enhance SNF. This review discusses the recent developments to improve SNF and productivity of grain legumes