Assessing bacterial communities, N2O emissions, and nosZ Clade II N2O reducers in the soil-root system of red clover and timothy

Abstract

Nitrogen (N) fertilization contributes to denitrification which causes greenhouse gas emissions of N2O from agricultural soils. On the other hand, microbial N2O reduction to N2 in denitrification is the only N2O sink in terrestrial soils and other environments. Further studies are needed to understand factors affecting N2O reduction in agricultural soils. Denitrifying and non-denitrifying microbes carry nosZ gene variants I and II. I aimed to determine the abundance of nosZ Clade II N2O reducers from bulk and rhizosphere soil and root systems of red clover and timothy to link the abundance of nosZ Clade II with soil net N2O emissions. I also assessed bacterial community composition and diversity to connect them with nosZ II abundance. Unfertilized and fertilized treatments of mixed (red clover and timothy), red clover, and timothy groups were used to see if fertilization and vegetation types impacted bacterial community, N2O reducers, and N2O emissions. Quantitative PCR was used to quantify nosZ II abundance relative to the total abundance of bacteria, i.e. 16S rRNA gene copies, and next-generation sequencing to determine bacterial community composition. Net N2O emissions were measured with gas chromatography. Soils exhibited higher diversity of bacteria and relative abundance of nosZ II than roots, regardless of fertilization status or plant species. N fertilization only increased diversity in the mixed and timothy roots. Soils were similar in their bacterial community composition, but red clover and timothy roots were strongly differentiated from each other. Soil bacteria affiliated to the nosZ Clade II, included genus Pedobacter from the phylum Bacteroidota. The relationship between net N2O emissions and nosZ II abundance in soils remained unclear, due to high variability in the emissions. Results imply that the high bacterial diversity in the rhizosphere supported the presence of nosZ Clade II which can result in higher N2O reduction activity. Cultivation practices promoting microbial diversity in soil could help to mitigate agricultural N2O emissions supporting sustainability in agriculture. In the future, it is necessary to study N2 production and both nosZ Clade I and II as their abundance might affect N2O reduction differently in the soil-root system of different crop species.

Typpilannoitus edistää denitrifikaatiota, mikä aiheuttaa N2O-kasvihuonekaasupäästöjä maatalousmaista. Toisaalta mikrobien N2O:n pelkistäminen N2:ksi denitrifikaatiossa on ainoa N2O:n nielu maaperässä ja muissa ympäristöissä. Lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan ymmärtää tekijöitä, jotka vaikuttavat N2O:n pelkistymiseen maatalousmailla. Denitrifioivat ja ei-denitrifioivat mikrobit kantavat nosZ-geenivariantteja I ja II. Tavoitteena oli määrittää nosZ Kladi II:in kuuluvien N2O:n pelkistäjien runsaus puna-apilan ja timotein ympäröivästä maasta ja ritsofäärimaasta sekä juuristojärjestelmästä, jotta voitaisiin selvittää nosZ Kladi II:n runsauden suhde maaperän N2O-nettopäästöihin. Arvioin myös bakteeriyhteisön koostumusta ja monimuotoisuutta yhdistääkseni ne nosZ II runsauteen. Lannoittamattomia ja lannoitettuja puna-apilan ja timotein sekoitusta, puna-apilaa ja timoteitä erikseen käytettiin sen selvittämiseen, että vaikuttivatko lannoitus ja kasvillisuusryhmät bakteeriyhteisöön, N2O-pelkistäjiin ja N2O-päästöihin. Kvantitatiivista PCR:ää käytettiin määrittämään nosZ II:n runsaus suhteessa bakteerien kokonaismäärään, eli 16S rRNA-geenikopioihin, ja seuraavan sukupolven sekvensointia (NGS) bakteeriyhteisöjen koostumuksen määrittämiseksi. N2O:n nettopäästöt mitattiin kaasukromatografilla. Bakteerien monimuotoisuus ja nosZ II:n suhteellinen runsaus oli suurempi maassa kuin juurissa lannoituksesta tai kasvilajeista riippumatta. Typpilannoitus lisäsi monimuotoisuutta vain seka- ja timoteinjuurissa. Maat olivat samankaltaisia bakteeriyhteisöjen koostumukseltaan, mutta puna-apilan ja timotein juuret erottuivat vahvasti toisistaan. Maasta löytyi nosZ Kladiin II mahdollisesti liittyviä bakteeriryhmiä, mukaan lukien suvun Pedobacter pääjaksosta Bacteroidota. N2O- nettopäästöjen ja nosZ II runsauden välinen suhde maaperässä jäi epäselväksi päästöjen suuren vaihtelun vuoksi. Tulokset viittaavat siihen, että bakteerien suuri monimuotoisuus ritsosfäärissä tukee nosZ Clade II:n läsnäoloa, mikä voi johtaa korkeampaan N2O-pelkistysaktiivisuuteen. Maaperän mikrobien monimuotoisuutta edistävät viljelykäytännöt voisivat auttaa vähentämään maatalouden N2O-päästöjä tukien maatalouden kestävyyttä. Jatkossa on tarpeen tutkia N2:n tuotantoa sekä nosZ Kladi I:tä että II:ta, koska niiden runsaus saattaa vaikuttaa N2O:n pelkistymiseen eri tavalla eri viljelykasvilajien maa-juurisysteemeissä.