Switchgrass (SG, Panicum virgatum L.), a temperate perennial grass, was chosen by the US Department of Energy's Herbaceous Energy Crops Program as the 'model' bioenergy crop for further research in North America. Current research on SG for bioenergy feedstock production focuses on improving breeding selection, agronomy and crop physiology, energy potential, and its contribution to mitigating greenhouse gas emissions. However, there is a lack of knowledge regarding plant-microbe interactions with SG, how these associations play a role in its growth and productivity, and their function and potential role in agro-ecosystems. Moreover, as SG has been reported to produce high biomass yields with minimal to no synthetic nitrogen (N) fertilizer, this suggested to us that SG could be obtaining at least some of the N to meet its requirements from plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) capable of biological N2-fixation (BNF). The objectives of this research were to determine if: (1) SG associates with PGPR, (2) PGPR we isolated from SG can be used as inoculants capable of promoting SG growth under a controlled environment, and (3) inoculation with PGPR can increase the growth and productivity of SG for biofuel production under a low-N input system. Switchgrass rhizomes were collected in Quebec, Canada from a discontinued biomass trial of 11 varieties that had not received N fertilizer or any other management input since 2000. Isolates were chosen on N-free solidified media and screened for their ability to promote plant growth using plant assays conducted in growth chambers. Switchgrass seedlings were inoculated, or not, with batches of mixed isolates and fertilized with N-free Hoagland's solution. Molecular analyses of 16S rRNA gene sequences identified the mixed bacterial inoculum as Paenibacillus polymyxa, a N2-fixing bacterium, and several other PGPR (Pseudomonas, Serratia, and Rahnella spp.) capable of producing auxin and/or solubilizing phosphate. Field trials of inoculated SG seeds were conducted in 2010 on three sites comprising different soil types. The factors tested were the bacterial treatment, either uninoculated control or seed inoculated, and a fertilizer treatment, either 0 or 100 kg N ha-1. Establishment year results showed that inoculation with a mixed PGPR produced higher tiller density and larger tillers than uninoculated plants, which was the probable cause of the 40% yield increase. This 40% yield increase persisted under N fertilization, at least at the 100 kg N ha-1 rate. Inoculated SG plants also had better N cycling than uninoculated plants, as they contained more N within tillers during anthesis but not after senescence, suggesting a greater amount of N was translocated to below-ground roots and rhizomes of inoculated than uninoculated plants. Greater N storage in roots and rhizomes could mean better early-season regrowth and provide an advantage over weeds. PGPR inoculation also affected the N balance of the harvested biomass by contributing additional non-fertilizer N (ANFN) to SG plants. Interestingly, this bacterial effect was not inhibited in the presence of N fertilizer. The combination of PGPR and nitrogen fertilizer provided a substantial N contribution to SG plants, although the exact amount will require additional research. This investigation showed that SG does associate with PGPR and that PGPR can be effectively utilized as inoculants to enhance SG yields in low-N input systems. This research will help in the development of an environmentally beneficial switchgrass-microbe system, reduces N requirements and has the potential to become a best N management practice. / Le panic raide (PR, Panicum virgatum L.) est un herbacée vivace qui pousse dans les climats tempérés. Le PR a été choisi par le département de l'énergie américain comme étant le « modèle » de culture agroénergétique pour l'avancement de la recherche en Amérique du Nord. La recherche actuelle sur l'emploi du PR dans la production de biocarburant est principalement axée sur la sélection de cultivars plus productifs, l'agronomie et la physiologie de la plante, son potentiel énergétique ainsi que sa contribution à la réduction des gaz à effet de serre. Pourtant, il y a un manque de connaissance par rapport aux interactions plante-microbe chez le PR et le rôle que jouent ces associations sur la productivité de la culture ainsi que leur fonction et leur rôle dans l'agroécosystème. De plus, il a été démontré que PR donne de hauts rendements sans apport ou avec un apport minime d'azote (N) fertilisant synthétique. Ceci nous porte à croire que les besoins en N pourraient être comblés par l'interaction avec des rhizobactéries qui favorisent la croissance des plantes, connues sous le terme RFCP capable de fixation biologique de l'azote. L'objectif de l'étude ici présentée est de déterminer si : (1) le PR s'associe avec les RFCP, (2) les RFCP que nous avons isolés des rhizomes du PR sont capable de promouvoir la croissance de la plante dans un environnement contrôlé, et finalement (3) inoculation de RFCP peut augmenter la croissance et la productivité du PR pour de la production de biocarburant sous un apport minime de fertilisant N. Les rhizomes de PR ont été recueillis sur le site d'une ancienne étude de biomasse de 11 variétés n'ayant pas reçu de traitement d'azote fertilisant ou de tout autre soin depuis l'abandon du site en 2000. Les souches bactériennes cultivées dans milieu sans azote ont été choisi selon leur capacité de promouvoir la croissance de plantes en chambre d'incubation. Certaines boutures de PR ont été inoculées avec des groupes de souches bactériennes et fertilisées avec une solution d'Hoagland sans azote. Des analyses moléculaires des gènes de type 16S rRNA nous ont permises d'identifier la nature de l'inoculant bactérien comme étant Paenibacillus polymyxa, une bactérie capable de fixer l'azote ainsi que plusieurs autres RFCP producteur d'auxine et/ou capable de dissoudre les phosphates. Des essais ont été faits en 2010 dans trois types de sols différents. Les facteurs testés ont été les traitements bactériens, soit contrôle non inoculé ou semences inoculées et un traitement fertilisé, soit de 0 ou de 100 kg N ha-1. Les résultats de la première année ont montré que les plants inoculés avec une mixture de RFCP ont produit une densité de talle une grosseur des talles supérieure aux plants non inoculés, ce qui explique probablement la différence de productivité de 40%. Les plants de PR inoculés ont montré un meilleur cycle de l'azote que les plants non inoculés puisqu'ils contenaient plus de N dans leurs talles durant l'anthèse et non âpres la sénescence ce qui suggère qu'une plus grande quantité de N a été stocké dans les racines et dans les rhizomes pourrait donner lieu à une meilleure repousse en début de saison et donner au PR une meilleure chance de compétitionner contre les mauvaises herbes. La présence de RFCP a affecté l'équilibre de N de la biomasse récoltée en contribuant un apport supplémentaire de N ne provenant pas de fertilisant aux PR. La combinaison de RFCP et de fertilisant N a contribué un apport important de N au PR, mais il faudra une étude plus approfondie afin de déterminer le montant exact. Cette étude a démontré que le PR s'associe avec les RFCP et que les RFCP peuvent être utilisé comme inoculent pour améliorer la productivité du PR en milieu pauvre en N. Cette étude contribue au développement d'un système Panic Raide – Microbe, réduisant la quantité de N requis et ayant le potentiel de devenir un axe de bonne gestion en matière de fertilisation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107789 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Ker, Keomany |
| Contributors | Donald L Smith (Supervisor1), James W Fyles (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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