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Doctoral Thesis
2020
Interactions of nitrogen-related, growth promoting bacteria with Miscanthus × giganteus : impact and mechanism
Interactions of nitrogen-related, growth promoting bacteria with Miscanthus × giganteus : impact and mechanism
Abstract (English)
The highly nitrogen-use efficient biomass grass Miscanthus is a host of the bacterial endophyte Herbaspirillum frisingense. While Herbaspirillum frisingense has the genetic competence to fix nitrogen, the plant-associated microbiome may also contribute to this nitrogen efficiency. Furthermore, the costly field establishment of the sterile perennial Miscanthus × giganteus from rhizomes is a severe constraint for expanding the production area of this commercial biomass crop.
In this study, the effect of Herbaspirillum frisingense inoculation on stem-cutting sprouting, shoot biomass and other yield parameters was investigated. I studied how the inoculation impacts on the M. × giganteus associated microbiome and how the long term differences in nitrogen fertilizer amount modulated the M. × giganteus associated microbiome. This was studied in a 14 year-old field trial of M. ×giganteus fertilized with various amounts of nitrogen.
Stem cutting inoculation improved the shoot sprouting and establishment success of Miscanthus × giganteus in the greenhouse. In a small field trial, plant height and biomass from inoculated sites were significantly larger in the second year after establishment, but already after one year after inoculation, the bulk soil, rhizosphere, root and rhizome microbiomes were almost devoid of Herbaspirillum. This beta-proteobacterium may colonize the shoot of Miscanthus × giganteus more efficiently. Major differences between bacterial communities were determined by plant-soil compartments and less by the plant organs, while both inoculation and nitrogen had little effects on these communities. Compared to the little effect on the soil, rhizosphere and root microbiomes, the rhizome microbiome was massively modulated by both inoculation and nitrogen level. In the rhizome, several proteobacteria, which are associated with plant growth promoting functions, were enriched by inoculation, while N2-fixing-related bacterial families were favored by long-term nitrogen-deficiency plots, but denitrifier-related families were depleted. The studies suggest that H. frisingense inoculation may improve establishment of Miscanthus stem cuttings and has long-lasting effects on the rhizome microbiome diversity, despite low rhizocompetence and low root abundance. Meanwhile, the rhizome could be a potential nitrogen fixation factory. The organ-specific, nitrogen-related bacterial communities are modulated by long-term different nitrogen supply and are mainly shaped by the plant, which provides guidance for optimizing Miscanthus sustainable cultivation.
Abstract (German)
Das stickstoffeffiziente Biomassegras Miscanthus wird unter anderem vom bakteriellen Endophyten Herbaspirillum frisingense besiedelt, welches die genetischen Grundlagen für Stickstoff-fixierung besitzt. Das mit Miscanthus assoziierte Mikrobiom, welches ebenso zu seiner Stickstoffeffizienz beitragen könnte, war zu Beginn der Arbeit noch nicht bekannt. Darüber hinaus ist das Etablieren des sterilen, mehrjährigen Miscanthus × giganteus aus Rhizomen ein hoher Kostenfaktor und damit ein schwerwiegendes Hindernis für die Erweiterung der Produktionsfläche dieser kommerziellen Biomassepflanze.
In dieser Arbeit wurde die Wirkung der Inokulation mit Herbaspirillum frisingense auf das Keimen von Knospen an Stängeln, die Wirkung auf die Sprossbiomasse und auf andere Ertragsparameter untersucht. Darüber hinaus wurde untersucht, wie sich die Inokulation auf das mit M. × giganteus assoziierte Mikrobiom im Feld auswirkt. Das mit Miscanthus assoziierte Mikrobiom wurde ausserdem von einem 14-jährigen Dauerfeldversuch bestimmt, bei dem die Pflanzen ohne Stickstoff (N), oder jährlich mit 80 kg N gedüngt wurden.
Die Beimpfung von Stängelabschnitten mit Herbaspirillum frisingense regte das Keimen von Knospen an und erhöhte den Etablierungserfolg von Miscanthus × giganteus im Gewächshaus. In einem kleinen Feldversuch waren Pflanzenhöhe und Biomasse von beimpften Rhizomen im zweiten Jahr nach der Etablierung signifikant größer, aber bereits nach einem Jahr nach der Inokulation waren die Mikrobiome des Bodens, der Rhizosphäre, der Wurzel und des Rhizoms nahezu frei vom beimften Herbaspirillum. Dieses betaProteobakterium kann offenbar den Spross von Miscanthus × giganteus effizienter besiedeln. Die Hauptunterschiede zwischen den Bakteriengemeinschaften wurden durch die unterschidlichen Umweltbedingungen der Kompartimente, also zwischen Pflanzen und Boden und weniger durch die Pflanzenorgane bestimmt. Sowohl die Inokulation, als auch die N-Düngung hatten nur geringe Auswirkungen auf diese Gemeinschaften. Im Vergleich zu den geringen Auswirkungen auf Boden, Rhizosphäre und Wurzelmikrobiome wurde das Rhizom-Mikrobiom sowohl durch Inokulation, als auch durch den N-Dünger, am meisten verändert. Im Rhizom wurden mehrere Proteobakterien, die bekanntermassen zur Förderung des Pflanzenwachstums beitragen, durch Inokulation angereichert, während N2- fixierende Bakterienfamilien im Rhizom durch Langzeit-N-Mangel begünstigt wurden. Familien, in denen Stickstoff-Denitrifizierer gefunden werden, waren weniger im Rhizom repräsentiert. Die Arbeit legt nahe, dass durch die Inokulation mit H. frisingense die Etablierung von Miscanthus-Stängelabschnitten verbessert werden kann. Trotz geringer Rhizokompetenz und geringer Abundanz hat das Inokulat lang-anhaltende Auswirkungen auf die Rhizom-Mikrobiom-Diversität. Das Rhizom könnte als eine potenzielle Stickstofffixierungsfabrik dienen, und somit langfristig zur Stickstoffeffizient beitragen. Die organspezifischen und wenig durch das N-Düngeniveau regulierten Bakteriengemeinschaften werden hauptsächlich von der Pflanze geprägt und könnten eine Rolle bei der Optimierung der nachhaltigen Kultivierung von Miscanthus spielen.
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Crop Science
Examination date
2020-06-09
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English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
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Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Liu2020,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6509},
author = {Liu, Yuan},
title = {Interactions of nitrogen-related, growth promoting bacteria with Miscanthus × giganteus : impact and mechanism},
year = {2020},
school = {Universität Hohenheim},
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