Report of preliminary investigations on the metabolism of nitrogen and carbon in the human organism, with a respiration calorimeter of special construction.

Mode of access: Internet.

Decomposition of wood and bark sawdusts in soil, nitrogen requirements and effects on plants /

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Nitrogen transfer within and between plants through common mycorrhizal networks (CMNs)

Mycorthizae play a critical role in nutrient capture from soils. Arbuscular mycorrhizae (AM) and ectomycorrhizae (EM) are the most important mycorrhizae in agricultural and natural ecosystems. AM and EM fungi use inorganic NH4+ and NO3-, and most EM fungi are capable of using organic nitrogen. The heavier stable isotope N-15 is discriminated against during biogeochemical and biochemical processes. Differences in N-15 (atom%) or delta(15)N (parts per thousand) provide nitrogen movement information in an experimental system. A range of 20 to 50% of one-way N-transfer has been observed from legumes to nonlegumes. Mycorrhizal fungal mycelia can extend from one plant's roots to another plant's roots to form common mycorrhizal networks (CMNs). Individual species, genera, even families of plants can be interconnected by CMNs. They are capable of facilitating nutrient uptake and flux. Nutrients such as carbon, nitrogen and phosphorus and other elements may then move via either AM or EM networks from plant to plant. Both N-15 labeling and N-15 natural abundance techniques have been employed to trace N movement between plants interconnected by AM or EM networks. Fine mesh (25similar to45 mum) has been used to separate root systems and allow only hyphal penetration and linkages but no root contact between plants. In many studies, nitrogen from N-2-fixing mycorrhizal plants transferred to non-N-2-fixing mycorrhizal plants (one-way N-transfer). In a few studies, N is also transferred from non-N-2-fixing mycorrhizal plants to N-2-fixing mycorrhizal plants (two-way N-transfer). There is controversy about whether N-transfer is direct through CMNs, or indirect through the soil. The lack of convincing data underlines the need for creative, careful experimental manipulations. Nitrogen is crucial to productivity in most terrestrial ecosystems, and there are potential benefits of management in soil-plant systems to enhance N-transfer. Thus, two-way N-transfer warrants further investigation with many species and under field conditions.

Effects of nitrogen supply on xylem cytokinin delivery, transpiration and leaf expansion of pea genotypes differing in xylem-cytokinin concentration

The rms2 and rms4 pea ( Pisum sativum L.) branching mutants have higher and lower xylem-cytokinin concentration, respectively, relative to wild type (WT) plants. These genotypes were grown at two levels of nitrogen (N) supply for 18 - 20 d to determine whether or not xylem-cytokinin concentration (X-CK) or delivery altered the transpiration and leaf growth responses to N deprivation. Xylem sap was collected by pressurising de-topped root systems. As sap-flow rate increased, X-CK declined in WT and rms2, but did not change in rms4. When grown at 5.0 mM N, X-CKs of rms2 and rms4 were 36% higher and 6-fold lower, respectively, than WT at sap-flow rates equivalent to whole-plant transpiration. Photoperiod cytokinin (CK) delivery rates ( the product of transpiration and X-CK) decreased more than 6-fold in rms4. Growth of plants at 0.5 mM N had negligible (< 10%) effects on transpiration rates expressed on a leaf area basis in WT and rms4, but decreased transpiration rates of rms2. The low-N treatment decreased leaf expansion by 20 - 25% and expanding leaflet N concentration by 15%. These changes were similar in all genotypes. At sap-flow rates equivalent to whole-plant transpiration, the low N treatment decreased X-CK in rms2 but had no discernible effect in WT and rms4. Since the low N treatment decreased transpiration of all genotypes, photoperiod CK delivery rates also decreased in all genotypes. The similar leaf growth response of all genotypes to N deprivation despite differences in both absolute and relative X-CKs and deliveries suggests that shoot N status is more important in regulating leaf expansion than xylem-supplied cytokinins. The decreased X-CK and transpiration rate of rms2 following N deprivation suggests that changes in xylem-supplied CKs may modify water use.

Modified nicotine metabolism in transgenic tobacco plants expressing the human cytochrome P450 2A6 cDNA

In this study, the human cytochrome P450 (CYP) 2A6 was used in order to modify the alkaloid production of tobacco plants. The cDNA for human CYP2A6 was placed under the control of the constitutive 35S promoter and transferred into Nicotiana tabacum via Agrobacterium-mediated transformation. Transgenic plants showed formation of the recombinant CYP2A6 enzyme but no obvious phenotypic changes. Unlike wild-type tobacco, the transgenic plants accumulated cotinine, a metabolite which is usually formed from nicotine in humans. This result substantiates that metabolic engineering of the plant secondary metabolism via mammalian P450 enzymes is possible in vivo. (c) 2005 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Characterization of the effect of nitrogen deficiency on above-ground plant phenotypes in relation to root complexity in maize

Nitrogen (N) is an essential plant nutrient in maize production, and if considering only natural sources, is often the limiting factor world-wide in terms of a plant’s grain yield. For this reason, many farmers around the world supplement available soil N with synthetic man-made forms. Years of over-application of N fertilizer have led to increased N in groundwater and streams due to leaching and run-off from agricultural sites. In the Midwest Corn Belt much of this excess N eventually makes its way to the Gulf of Mexico leading to eutrophication (increase of phytoplankton) and a hypoxic (reduced oxygen) dead zone. Growing concerns about these types of problems and desire for greater input use efficiency have led to demand for crops with improved N use efficiency (NUE) to allow reduced N fertilizer application rates and subsequently lower N pollution. It is well known that roots are responsible for N uptake by plants, but it is relatively unknown how root architecture affects this ability. This research was conducted to better understand the influence of root complexity (RC) in maize on a plant’s response to N stress as well as the influence of RC on other above-ground plant traits. Thirty-one above-ground plant traits were measured for 64 recombinant inbred lines (RILs) from the intermated B73 & Mo17 (IBM) population and their backcrosses (BCs) to either parent, B73 and Mo17, under normal (182 kg N ha-1) and N deficient (0 kg N ha-1) conditions. The RILs were selected based on results from an earlier experiment by Novais et al. (2011) which screened 232 RILs from the IBM to obtain their root complexity measurements. The 64 selected RILs were comprised of 31 of the lowest complexity RILs (RC1) and 33 of the highest complexity RILs (RC2) in terms of root architecture (characterized as fractal dimensions). The use of the parental BCs classifies the experiment as Design III, an experimental design developed by Comstock and Robinson (1952) which allows for estimation of dominance significance and level. Of the 31 traits measured, 12 were whole plant traits chosen due to their documented response to N stress. The other 19 traits were ear traits commonly measured for their influence on yield. Results showed that genotypes from RC1 and RC2 significantly differ for several above-ground phenotypes. We also observed a difference in the number and magnitude of N treatment responses between the two RC classes. Differences in phenotypic trait correlations and their change in response to N were also observed between the RC classes. RC did not seem to have a strong correlation with calculated NUE (ΔYield/ΔN). Quantitative genetic analysis utilizing the Design III experimental design revealed significant dominance effects acting on several traits as well as changes in significance and dominance level between N treatments. Several QTL were mapped for 26 of the 31 traits and significant N effects were observed across the majority of the genome for some N stress indicative traits (e.g. stay-green). This research and related projects are essential to a better understanding of plant N uptake and metabolism. Understanding these processes is a necessary step in the progress towards the goal of breeding for better NUE crops.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.

Effects of dietary energy and nitrogen supplements on rumen fermentation and protozoa population in buffalo and zebu cattle

The effects were assessed of two energy sources in concentrate (ground grain corn vs. citrus pulp) and two nitrogen sources (soybean meal vs. urea) on rumen metabolism in four buffaloes and four zebu cattle (Nellore) with rumen cannula and fed in a 4 × 4 Latin square design with feeds containing 60% sugar cane. Energy supplements had no effect on the rumen ammonia concentration in cattle, but ground grain corn promoted higher ammonia level than citrus pulp in buffalo. Urea produced higher ammonia level than soybean meal in both animal species. On average, the buffaloes maintained a lower rumen ammonia concentration (11.7 mg/dL) than the cattle (14.5 mg/dL). Buffaloes had lower production of acetic acid than cattle (58.7 vs. 61.6 mol/100 mol) and higher of propionic acid (27.4 vs. 23.6 mol/100 mol). There was no difference in the butyric acid production between the buffaloes (13.6 mol/100 mol) and cattle (14.8 mol/100 mol) and neither in the total volatile fatty acids concentration (82.5 vs. 83.6 mM, respectively). The energy or nitrogen sources had no effect on rumen protozoa count in either animal species. The zebu cattle had higher rumen protozoa population (8.8 × 10(5)/mL) than the buffaloes (6.1 × 10(5)/mL). The rumen protozoa population differed between the animal species, except for Dasytricha and Charonina. The buffaloes had a lower Entodinium population than the cattle (61.0 vs 84.9%, respectively) and a greater percentage of species belonging to the Diplodiniinae subfamily than the cattle (28.6 vs. 1.4%, respectively). In cattle, ground corn is a better energy source than citrus pulp for use by Entodinium and Diplodiniinae. In the buffaloes, the Entodinium are favored by urea and Diplodiniinae species by soybean meal.

Nitrogen availability patterns in white-sand vegetations of Central Brazilian Amazon

Addressing spatial variability in nitrogen (N) availability in the Central Brazilian Amazon, we hypothesized that N availability varies among white-sand vegetation types (campina and campinarana) and lowland tropical forests (dense terra-firme forests) in the Central Brazilian Amazon, under the same climate conditions. Accordingly, we measured soil and foliar N concentration and N isotope ratios (delta(15)N) throughout the campina-campinarana transect and compared to published dense terra-firme forest results. There were no differences between white-sand vegetation types in regard to soil N concentration, C:N ratio and delta(15)N across the transect. Both white-sand vegetation types showed very low foliar N concentrations and elevated foliar C:N ratios, and no significant difference between site types was observed. Foliar delta(15)N was depleted, varying from -9.6 to 1.6aEuro degrees in the white-sand vegetations. The legume Aldina heterophylla had the highest average delta(15)N values (-1.5aEuro degrees) as well as the highest foliar N concentration (2.1%) while the non-legume species had more depleted delta(15)N values and the average foliar N concentrations varied from 0.9 to 1.5% among them. Despite the high variation in foliar delta(15)N among plants, a significant and gradual (15)N-enrichment in foliar isotopic signatures throughout the campina-campinarana transect was observed. Individual plants growing in the campinarana were significantly enriched in (15)N compared to those in campina. In the white-sand N-limited ecosystems, the differentiation of N use seems to be a major cause of variations observed in foliar delta(15)N values throughout the campina-campinarana transect.

Phytomass production and nitrogen accumulation in maize cultivated with different doses of (15)N-urea

This work aimed to study the possible alterations in production, accumulation of the vegetative phytomass and nitrogen efficiency use of the maize crop, in different doses of N applied in the fertilization, by using the technique of isotopic dilution of (15)N. The completely randomized block experimental design was adopted, with 5 treatments and 4 replicates. The following treatments were constituted in the doses in covering: 0, 50, 100, 150 and 200 kg ha(-1) of N, with fertilization of N-urea, respectively. Comparisons among the treatments had been run for crop productivity; nitrogen accumulation for the plant, and use of the nitrogen of the urea-(15)N for the crop. The increase of the dose of N-fertilizer resulted in increase of the dry matter mass, of the dry matter yield crop tax, of the productivity and accumulation of N in the maize plants.

Contribuition of nitrogen from biological nitrogen fixation, nitrogen fertilizer and soil nitrogen on the growth of the common bean and cowpea

Biological nitrogen fixation (BNF) constitutes a valuable source of this nutrient for the common bean Phaseolus vulgaris L and cowpea Vigna unguiculata (L.) Walp., being its avaibility affected by mineral N in the soil solution. The objectives of this work were to evaluate the effects of nitrogen rate, as urea, on symbiotic fixation of N(2) in common bean and cowpea plants, using the isotopic technique, and quantifying the relative contributions of N sources symbiotic N(2) fixation, soil native nitrogen and urea N on the growth of the common bean and cowpea. Non nodulating soybean plants were used as standard. The research was carried out in greenhouse, using pots with 5 kg of soil from a Typic Haplustox (Dystrophic Red Yellow Latosol). The experimental design was completely randomized blocks, with 30 treatments and three replications, arranged in 5x3x2 factorial outline. The treatments consisted of five N rates: 2, 15, 30, 45 and 60 mg N kg(-1) soil; three sampling times: 23, 40 and 76 days after sowing (DAS) and two crops: common bean and cowpea. The BNF decreased with increase N rates, varying from 81.5% to 55.6% for cowpea, and from 71.9% to 55.1% for common bean. The symbiotic N(2) fixation in cowpea can substitute totally the nitrogen fertilization. The nitrogen absorption from soil is not affected by nitrogen fertilizer rate. The N recovery from fertilizer at 76 DAS was of 60.7% by common bean, and 57.1% by cowpea. The symbiotic association in common bean needs the application of a starting dose (40 kg N ha(-1)) for economically acceptable yields.