Nitrogen use efficiency of ryegrass and analysis of functional microbial genes for proteolysis in differently managed arable soils and under future projected rainfall variability

Abstract

As futuras mudanças climáticas projetadas e a escassez de recursos irão desafiar a produção de alimentos e forragem em escala global. Os sistemas agrícolas orgânicos renunciam aos fertilizantes e pesticidas sintéticos, a fim de promover a produção sustentável e apoiar a saúde do ecossistema. Já foi demonstrado que os solos cultivados organicamente implicam comunidades microbianas mais abundantes, mais ativas e mais diversas em comparação com os solos convencionalmente cultivados e, portanto, podem ser mais resistentes quando enfrentam as próximas mudanças climáticas. Apesar da importância fundamental do ciclismo de nutrientes mediada por microbios nos solos, nossa compreensão do desempenho microbiano em sistemas de agricultura gerenciados de forma diferente sob a futura variação da precipitação projetada ainda é fragmentária. Este estudo informa sobre proteólise e mineralização de nitrogênio orgânico e a subsequente absorção de nitrogênio pelo azevém, em uma experiência de crescimento de plantas usando solos do experimento de campo de DOK a longo prazo. O lote de lupina enriquecido em isótopos 15N foi utilizado como um marcador para fluxos de nitrogênio, enquanto as técnicas genéticas moleculares foram aplicadas como proxy para o potencial proteolítico microbiano do solo combinado com parâmetros geoquímicos tradicionais para monitorar os pools de nitrogênio do solo. Nossa principal descoberta é que, sob o estresse por seca, o azevém cultivado em solo de manejo orgânico absorve significativamente mais 15N em sua biomassa total derivada do lixo vegetal de lupina marcada em comparação com o azevém cultivado em solo convencionalmente gerenciado. Isso fornece novas evidências para um potencial de mineralização de nitrogênio mediado por microbios melhorado, seguido de aprovisionamento de nitrogênio melhorado para plantas em solo de manejo orgânico sob futuros cenários de seca projetados. Não foram identificadas diferenças na acumulação de 15N entre plantas cultivadas nos diferentes solos em condições úmidas ótimas. A quantificação de genes funcionais envolvidos na proteólise, o passo inicial e, portanto, limitante de velocidade de mineralização de nitrogênio, não poderia explicar completamente nossos achados. A abundância de genes funcionais pode servir como proxy para certas funções do solo, mas o tempo de amostragem é crucial e pode não ter sido ótimo no presente estudo. Além disso, não só a abundância de micróbios proteolíticos, mas também a atividade e a diversidade são essenciais e, portanto, mais profundas, as investigações microbianas são necessárias para entender completamente os fenômenos observados.

Future projected climate change and resource scarcity will challenge food and fodder production on a global scale. Organic farming systems resign from synthetic fertilizers and pesticides in order to promote sustainable production and to support ecosystem health. It has previously been shown, that organically farmed soils entail more abundant, more active and more diverse microbial communities compared to conventionally farmed soils and thus might potentially be more resilient when facing upcoming climate change. Despite the fundamental importance of microbial mediated nutrient cycling in soils, our understanding of the microbial performance in differently managed farming systems under future projected rainfall variability is still fragmentary. This study reports on proteolysis and mineralization of organically bound nitrogen and the subsequent nitrogen uptake by ryegrass, in a plant growth experiment using soils from the DOK long-term field experiment. 15N isotope enriched lupine litter was used as a tracer for nitrogen fluxes whereas molecular genetic techniques were applied as a proxy for the soil microbial proteolytic potential combined with traditional geochemical parameters to monitor soil nitrogen pools. Our key finding is that under drought stress, ryegrass grown on organically managed soil assimilates significantly more 15N in their total biomass derived from the labeled lupine litter compared to ryegrass grown in conventionally managed soil. This provides novel evidence for an enhanced microbial mediated nitrogen mineralization potential followed by enhanced nitrogen provisioning for plants in organically managed soil under future projected drought scenarios. No differences in 15N accumulation between plants grown on the different soils were identified in optimal wet conditions. The quantification of functional genes involved in proteolysis, the initial and thus rate limiting step in nitrogen mineralization, could not fully explain our findings. The abundances of functional genes might serve as a proxy for certain soil functions but sampling timing is crucial and might not have been optimal in the current study. Furthermore, not only abundance of proteolytic microbes but also activity and diversity is essential and thus more in depths microbial investigations are required to fully understand the observed phenomena.