Influence of genetically modified cell wall mutants on carbon dioxide and nitrous oxide emissions from soil: A study with «Arabidopsis thaliana»

Increasing atmospheric concentrations of the greenhouse gases (GHGs) carbon dioxide (CO 2 ) and nitrous oxide (N 2 O) are of environmental concern.Genetically modified (GM) cell wall mutants that have altered lignin concentration in their plant tissues may reduce the magnitude of one or both of these GHGs emitted from soil.Taking Arabidopsis thaliana as a model plant species, this study examined how A. thaliana cell wall mutants may influence emission of CO 2 and N 2 O from soil during their growth and development and after incorporation of their residues in soil.Down-regulated (k/o) and over-expression (o/x) KNOTTED ARABIDOPSIS THALIANA 7 (KNAT7), k/o and o/x of PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1 (PAP1) also known as MYB75 and k/o cinnamoyl-CoA reductase 1 (CCR1) mutant lines and their wild ecotypes were considered in the present study.KNAT7 k/o and MYB75 k/o had similar morphological traits and caused no alteration in emission of CO 2 and N 2 O from soil during their growth and development as compared to their wild ecotypes.CCR1 mutant line had lower crown cover of rosette leaves, reduced fertility, and on average lower biomass.This line had lower transpiration and greater mineral N concentration in rhizosphere and bulk soil, which did not affect CO 2 emission but increased N 2 O emission from root-associated soil of the CCR1 mutant line at the reproductive stage.Residues of KNAT7 k/o and MYB75 k/o had higher lignin and C:N ratio while CCR1 had lower lignin and C:N ratio in inflorescence stems, compared to their wild ecotypes.Decomposition of KNAT7 k/o and MYB75 k/o stem residues tended to decrease CO 2 while CCR1 stem residues caused higher CO 2 emissions from soil.Root residues that had higher lignin than stems, caused lower CO 2 emissions from soil.Stem residues of CCR1 increased mineral N II concentration and microbial biomass of soil, whereas MYB75 k/o stem residues increased microbial biomass in clay loam soil.Microbial biomass was higher in soil amended with stem residues than soil amended with root residues.Root residues increased fungal:bacterial ratio of soil.In conclusion, the altered morphological traits and residue chemistry of A. thaliana cell wall mutants influenced soil abiotic and biotic factors (i.e.evapotranspiration, mineral N concentration, microbial biomass, microbial community structure e.g.fungal:bacterial ratio of soil) that contribute to CO 2 and N 2 O emissions from soil.III RESUME L'augmentation de la concentration des gaz à effet de serre (GES), dont le dioxide de carbone (CO 2 ) et le protoxyde d'azote (N 2 O), constitue une préoccupation environnementale.Les parois cellulaires mutantes génétiquement modifiées (GM) qui ont des concentrations de lignine altérées peuvent réduire les emissions par le sol d'un ou des deux GES mentionnés plus haut.Utilisant Arabidopsis thaliana comme espèce modèle, cette étude examine comment les parois cellulaires de A. thaliana peuvent influencer l'émission de CO 2 et de N 2 O par le sol pendant la période de croissance et de développement et après l'incorporation de leurs résidus dans le sol.Dans le présent cas, les lignes mutantes et les écotypes sauvages suivants ont été considérés: l'ARABIDOPSIS THALIANA 7 NOUÉE (KNAT7) régulée à la baisse (k/o) et surexpression (o/x), le k/o et o/x de la PRODUCTION DU PIGMENT ANTHOCYANINE 1 (PAP1), aussi connu sous le nom de MYB75, ainsi que les lignes mutantes du k/o cinnamoyl-CoA reductase 1 (CCR1).KNAT7 k/o et MYB75 k/o avaient des traits morphologiques similaires et n'ont causé aucune altération des emissions de CO 2 et de N 2 O par le sol durant leur croissance et développement comparativement à leurs ecotypes sauvages.La ligne mutante de CCR1 avait une couronne de feuilles de rosette plus basse, une fertilité réduite ainsi qu'une biomasse plus basse en moyenne.Cette ligne avait une transpiration plus basse et une plus grande concentration de N minéral dans la rhizosphère et le sol environnant, ce qui n'affecta pas l'émission de CO 2 mais augmenta l'émission de N 2 O du sol associé aux racines de la ligne mutante de CCR1 au stage reproductif.Les résidus de KNAT7 k/o et MYB75 k/o avaient de plus hauts niveaux de lignine et un plus grand ratio C:N, tandis que CCR1 avait des taux de lignine et un ratio C:N plus bas dans IV les tiges en inflorescence comparativement à leurs écotypes sauvages.La décomposition des résidus de tiges de KNAT7 k/o et MYB75 k/o ont eu tendance à décroître, tandis que ceux de CCR1 ont causé de plus fortes émissions de CO 2 par le sol.Les résidus de racines ayant un taux de lignine plus grand que les tiges ont engendré de plus faibles émissions de CO 2 du sol.Les résidus de tiges de CCR1 ont augmenté la concentration de N minéral et de microbes dans le sol, et ceux de MYB75 k/o ont augmenté la biomasse microbienne dans le sol de type limoneux argileux.La biomasse microbienne était plus grande dans le sol agrémenté de résidus de tiges que dans le sol agrémenté de résidus de racines.Les rédidus racinaires ont augmenté le ratio fongique:bactérien du sol.En conclusion, les traits morphologiques modifiés et la composition chimique des parois cellulaires mutantes de A. thaliana ont influencé les facteurs biotiques et abiotiques du sol (i.e.évapotranspiration, concentration de N minéral, biomasse microbienne, structure de la communauté microbienne, e.g.le ratio fongique:bactérien du sol) contribuant aux emissions de CO 2 et de N 2 O par le sol.

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