Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.

Génération de lignées de poissons zébrés exprimant le gène muté TARDBP

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative due à une dégénérescence des motoneurones. Plus de 40 mutations du gène TARDBP ont été identifiées chez des patients SLA. Les défauts biochimiques de ces mutations étant encore inconnus, les modèles animaux sont présentement la seule mesure possible d’un phénotype. Pour étudier les conséquences physiopathologiques d’une de ces mutations, nous avons développé deux lignées transgéniques de poisson zébré, exprimant le gène humain TARDBP soit de type sauvage, soit avec la mutation G348C liée à la SLA, sous le contrôle d’un promoteur de choc thermique. Ces lignées ont été étudiées sur trois générations, après avoir établi un protocole de choc thermique induisant une expression ubiquitaire du transgène. Les embryons transgéniques de la génération F2 de la lignée exprimant la mutation développent un phénotype moteur suite à un choc thermique de 38.5°C pendant 30 minutes lorsque les embryons sont à 18 heures post-fertilisation. 60% des embryons ont une réponse anormale au toucher. De plus, une réduction de 28% de la longueur de pré-branchement des axones des motoneurones est observée. Ces résultats indiquent que notre lignée exprimant la protéine mutante TDP-43 est un modèle génétique de la SLA prometteur, qui ouvre des perspectives pour la compréhension de la physiopathologie de la maladie et la découverte de molécules thérapeutiques.

Does Chance hide Necessity? : a reevaluation of the debate ‘determinism - indeterminism’ in the light of quantum mechanics and probability theory

Dans cette thèse l’ancienne question philosophique “tout événement a-t-il une cause ?” sera examinée à la lumière de la mécanique quantique et de la théorie des probabilités. Aussi bien en physique qu’en philosophie des sciences la position orthodoxe maintient que le monde physique est indéterministe. Au niveau fondamental de la réalité physique – au niveau quantique – les événements se passeraient sans causes, mais par chance, par hasard ‘irréductible’. Le théorème physique le plus précis qui mène à cette conclusion est le théorème de Bell. Ici les prémisses de ce théorème seront réexaminées. Il sera rappelé que d’autres solutions au théorème que l’indéterminisme sont envisageables, dont certaines sont connues mais négligées, comme le ‘superdéterminisme’. Mais il sera argué que d’autres solutions compatibles avec le déterminisme existent, notamment en étudiant des systèmes physiques modèles. Une des conclusions générales de cette thèse est que l’interprétation du théorème de Bell et de la mécanique quantique dépend crucialement des prémisses philosophiques desquelles on part. Par exemple, au sein de la vision d’un Spinoza, le monde quantique peut bien être compris comme étant déterministe. Mais il est argué qu’aussi un déterminisme nettement moins radical que celui de Spinoza n’est pas éliminé par les expériences physiques. Si cela est vrai, le débat ‘déterminisme – indéterminisme’ n’est pas décidé au laboratoire : il reste philosophique et ouvert – contrairement à ce que l’on pense souvent. Dans la deuxième partie de cette thèse un modèle pour l’interprétation de la probabilité sera proposé. Une étude conceptuelle de la notion de probabilité indique que l’hypothèse du déterminisme aide à mieux comprendre ce que c’est qu’un ‘système probabiliste’. Il semble que le déterminisme peut répondre à certaines questions pour lesquelles l’indéterminisme n’a pas de réponses. Pour cette raison nous conclurons que la conjecture de Laplace – à savoir que la théorie des probabilités présuppose une réalité déterministe sous-jacente – garde toute sa légitimité. Dans cette thèse aussi bien les méthodes de la philosophie que de la physique seront utilisées. Il apparaît que les deux domaines sont ici solidement reliés, et qu’ils offrent un vaste potentiel de fertilisation croisée – donc bidirectionnelle.

The orphan nuclear receptor NR5A2 regulates peri-ovulatory events and their consequent luteinization in mice

Le récepteur nucléaire Nr5a2, également connu sous le nom de liver receptor homolog-1 (Lrh-1), est exprimé au niveau de l’ovaire chez la souris, exclusivement dans les cellules lutéales et de la granulosa. La perturbation de Nr5a2, spécifique aux cellules de la granulosa chez la souris à partir des follicules primaires dans la trajectoire du développement folliculaire a démontré que Nr5a2 est un régulateur clé de l’ovulation et de la fertilité chez la femelle. Notre hypothèse veut que Nr5a2 régule les évènements péri- et post-ovulatoires dans une séquence temporelle lors de la folliculogénèse. Afin d'étudier l’implication de Nr5a2 lors de l’ovulation et de la lutéinisation à différents stades du développement folliculaire, nous avons généré deux modèles de souris knockout spécifiques aux cellules de la granulosa pour Nr5a2: 1) Nr5a2Amhr2-/-, avec une réduction de Nr5a2 à partir des follicules primaires et subséquents; 2) Nr5a2Cyp19-/-, avec une réduction de Nr5a2 débutant au stade antral de développement en progressant. L’absence de Nr5a2 à partir des follicules antraux a résulté en une infertilité chez les femelles Nr5a2Cyp19-/-, de même qu’en des structures non-fonctionnelles similaires aux structures lutéales au niveau des ovaires, en une réduction des niveaux de progestérone synthétisée ainsi qu’en un échec dans le support d’une pseudo-gestation. La synthèse de progestérone a été entravée suite à l’absence de Nr5a2 par l’entremise d’une régulation à la baisse des gènes reliés au transport du cholestérol, Scarb1, StAR et Ldlr, démontré par qPCR. Les complexes cumulus-oocytes des femelles Nr5a2Cyp19-/- immatures super-stimulées ont subi une expansion in vivo, mais l’ovulation a été perturbée, possiblement par une régulation à la baisse du gène du récepteur de la progestérone (Pgr). Un essai d’expansion du cumulus in vitro a démontré une expansion défectueuse du cumulus chez les Nr5a2Amhr2-/-, associée à un dérèglement de la protéine des jonctions communicantes (Gja1; Cx43). Cependant, l’expansion du cumulus chez les Nr5a2Cyp19-/- n’a pas été autant affectée. Des résultats obtenus par qPCR ont démontré une régulation à la baisse dans l’expression des gènes Areg, Ereg, Btc et Tnfaip6 chez les deux modèles de cellules ovariennes knockout à 2h et 4h post hCG. Nous avons observé que 85% des oocytes, chez les deux génotypes mutants, peuvent subir une rupture de la vésicule germinative, confirmant leur capacité de maturation in vivo. La technique d’injection intra-cytoplasmique de spermatozoïdes a prouvé que les oocytes des deux génotypes mutants sont fertilisables et que 70% des embryons résultants ont poursuivi leur développement vers le stade de blastocyste, et ce, indépendamment du génotype. En conclusion, Nr5a2 régule la fertilité chez les femelles tout au long du processus du développement folliculaire. Il a été démontré que Nr5a2 est essentiel à la lutéinisation et que sa perturbation dans les cellules somatiques ovariennes ne compromet pas la capacité des oocytes à être fertilisés. En vue d’ensemble, nous avons fourni une investigation inédite et complète, utilisant de multiples modèles et techniques afin de déterminer les mécanismes par lesquels Nr5a2 régule les importants processus que sont l’expansion du cumulus, l’ovulation ainsi que la formation du corps jaune.

Effet de l’irrigation par l’eau usée sur la biomasse aérienne et souterraine d’une culture intensive de saules en courtes rotations

Le but de cette étude est de comprendre l’effet d’une irrigation par les eaux usées et /ou de la fertilisation par les engrais chimiques sur la productivité aérienne et souterraine d’une plantation de saule Salix miyabeana SX67 en CICR dans un contexte de filtre végétal. Nous avons d’une part évalué l’impact de diverses doses d’eau usées et/ou de la fertilisation minérale sur les rendements en biomasse ligneuse d’une culture de saules au cours d’un cycle de croissance de deux ans. D’autre part et pour la même période nous avons comparé le développement racinaire (biomasse, morphologie et distribution dans le sol) suite aux divers traitements. Les résultats ont montré qu’au terme de deux ans de croissance, les traitements par les eaux usées aussi bien que celle par les engrais a permis l’augmentation des rendements de la biomasse aérienne de notre culture de saules avec un effet plus prononcé suite au traitements des eaux usées qu’à celui du fertilisant chimique. Nous avons mesuré des productivités en biomasse aussi élevées que 39,4 Mg ha-1 et 54,7 Mg ha-1 et ce pour les parcelles qui ont reçu la plus grande quantité d'eaux usées, respectivement pour les saules non fertilisé et fertilisé (D3-NF et D3-F). La majeure partie du système racinaire était en superficie avec 92-96% des racines (racine fine et racine grosse) concentrées dans les premiers 40 cm de sol et nous avons trouvé que la biomasse des racines fines était comprise entre 1,01 et 1,99 Mg ha-1. Généralement la fertilisation chimique n’a pas eu d’effet sur les rendements en biomasse des racines totales et/ou fines. Bien que l’irrigation par les eaux usées ait entraîné une réduction statistiquement significative de la biomasse racinaire, néanmoins cette réduction n'était pas linéaire (avec une réduction de la biomasse de D0 à D1, une augmentation de D1 à D2 pour réduire de nouveau de D2 à D3). Cette tendance porte à penser qu'au-delà d'une certaine quantité d'eau et de nutriments (suite à l’irrigation par les eaux usées), le développement du système racinaire des saules est affecté négativement, et bien que la biomasse aérienne soit restée élevée sous le traitement D3, nous pensons que le développement de la plante a été quelque peu déséquilibré. Aucun changement significatif n'a été constaté dans les traits morphologiques liés à l'irrigation par les eaux usées.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Management approaches in organic potato and tomato production

The presented thesis considered three different system approach topics to ensure yield and plant health in organically grown potatoes and tomatoes. The first topic describes interactions between late blight (Phytophthora infestans) incidence and soil nitrogen supply on yield in organic potato farming focussing in detail on the yield loss relationship of late blight based on results of several field trials. The interactive effects of soil N-supply, climatic conditions and late blight on the yield were studied in the presence and absence of copper fungicides from 2002-2004 for the potato cultivar Nicola. Under conditions of central Germany the use of copper significantly reduced late blight in almost all cases (15-30 %). However, the reductions in disease through copper application did not result in statistically significant yield increases (+0 – +10 %). Subsequently, only 30 % of the variation in yield could be attributed to disease reductions. A multiple regression model (R²Max), however, including disease reduction, growth duration and temperature sum from planting until 60 % disease severity was reached and soil mineral N contents 10 days after emergence could explain 75 % of the observed variations in yield. The second topic describes the effect of some selected organic fertilisers and biostimulant products on nitrogen-mineralization and efficiency, yield and diseases in organic potato and tomato trials. The organic fertilisers Biofeed Basis (BFB, plant derived, AgroBioProducts, Wageningen, Netherlands) and BioIlsa 12,5 Export (physically hydrolysed leather shavings, hair and skin of animals; ILSA, Arizignano, Italy) and two biostimulant products BioFeed Quality (BFQ, multi-compound seaweed extract, AgroBioProducts) and AUSMA (aqueous pine and spruce needle extract, A/S BIOLAT, Latvia), were tested. Both fertilisers supplied considerable amounts of nitrogen during the main uptake phases of the crops and reached yields as high or higher as compared to the control with horn meal fertilisation. The N-efficiency of the tested fertilisers in potatoes ranged from 90 to 159 kg yield*kg-1 N – input. Most effective with tomatoes were the combined treatments of fertiliser BFB and the biostimulants AUSMA and BFQ. Both biostimulants significantly increased the share of healthy fruit and/or the number of fruits. BFQ significantly increased potato yields (+6 %) in one out of two years and reduced R. solani-infestation in the potatoes. This suggests that the biostimulants had effects on plant metabolism and resistance properties. However, no effects of biostimulants on potato late blight could be observed in the fields. The third topic focused on the effect of suppressive composts and seed tuber health on the saprophytic pathogen Rhizoctonia solani in organic potato systems. In the present study 5t ha-1 DM of a yard and bio-waste (60/40) compost produced in a 5 month composting process and a 15 month old 100 % yard waste compost were used to assess the effects on potato infection with R. solani when applying composts within the limits allowed. Across the differences in initial seed tuber infestation and 12 cultivars 5t DM ha-1 of high quality composts, applied in the seed tuber area, reduced the infestation of harvested potatoes with black scurf, tuber malformations and dry core tubers by 20 to 84 %, 20 to 49 % and 38 to 54 %, respectively, while marketable yields were increased by 5 to 25 % due to lower rates of wastes after sorting (marketable yield is gross yield minus malformed tubers, tubers with dry core, tubers with black scurf > 15% infested skin). The rate of initial black scurf infection of the seed tubers also affected tuber number, health and quality significantly. Compared to healthy seed tubers initial black scurf sclerotia infestation of 2-5 and >10 % of tuber surface led in untreated plots to a decrease in marketable yields by 14-19 and 44-66 %, a increase of black scurf severity by 8-40 and 34-86 % and also increased the amount of malformed and dry core tubers by 32-57 and 109-214 %.

Effects of grassland conversion and tillage intensities on soil microbial biomass, residues and community structure

Agricultural intensification has a strong impact on level of soil organic matter (SOM), microbial biomass stocks and microbial community structure in agro-ecosystems. The size of the microbial necromass C pool could be about 40 times that of the living microbial biomass C pool in soils. Due to the specificity, amino sugar analysis gives more important information on the relative contribution of fungal and bacterial residues to C sequestration potential of soils. Meanwhile, the relationship between microbial biomass and microbial necromass in soil and its ecological significance on SOM are not fully understood and likely to be very complex in grassland soils. This thesis focuses on the effects of tillage, grassland conversion intensities and fertilisation on microbial biomass, residues and community structure. The combined analyses of microbial biomass and residue formation of both fungi and bacteria provided a unique opportunity to study the effect of tillage, grassland conversion and fertilisation on soil microbial dynamics. In top soil at 0-30 cm layer, a reduction in tillage intensity by the GRT and NT treatments increased the accumulation of saprotrophic fungi in comparison with the MBT treatment. In contrast, the GRT and NT treatments promoted AMF at the expense of saprotrophic fungi in the bottom soil layer at 30-40 cm depth. The negative relationship between the ergosterol to microbial biomass C ratio and the fungal C to bacterial C ratio points to the importance of the relationship between saprotrophic fungi and biotrophic AMF for tillage-induced changes in microbial turnover of SOC. One-season cultivation of winter wheat with two tillage events led to a significant loss in SOC and microbial biomass C stocks at 0-40 cm depth in comparison with the permanent grassland, even 5 years after the tillage event. However, the tillage induced loss in microbial biomass C was roughly 40% less in the long-term than in the short-term of the current experiment, indicating a recovery process during grassland restoration. In general, mould board tillage and grassland conversion to maize monoculture promoted saprotrophic fungi at the expense of biotrophic AMF and bacteria compared to undisturbed grassland soils. Slurry application promoted bacterial residues as indicated by the decreases in both, the ergosterol to microbial biomass C ratio and the fungal C to bacterial C ratio. In addition, the lost microbial functional diversity due to tillage and maize monoculture was restored by slurry application both in arable and grassland soils. I conclude that the microbial biomass C/S ratio can be used as an additional indicator for a shift in microbial community. The strong relationships between microbial biomass and necromass indices points to the importance of saprotrophic fungi and biotrophic AMF for agricultural management induced effects on microbial turnover and ecosystem C storage. Quantitative information on exact biomass estimates of these two important fungal groups in soil is inevitably necessary to understand their different roles in SOM dynamics.

Recent advances in the application of in vitro systems to plant improvement

The horticultural industry was instrumental in the early development and exploitation of genetic techniques over a century ago. This review will describe recent advances in a range of in vitro methods and their application to plant breeding, with especial emphasis on horticultural crops. These methods include improvements in the efficiency of haploid breeding techniques in many fruit and vegetable species using either microspore-derived or ovule-derived plants. Significant molecular information is now available to supplement these essentially empirical approaches and this may enable the more predictable application of these technologies in previously intransigent crops. Similarly there are now improved techniques for isolation of somatic hybrids, by application of either in vitro fertilisation or the culture of excised ovules from interspecific crosses. In addition to examples taken from the traditional scientific literature, emphasis will also be given to the use of patent databases as a valuable source of information on recent novel technologies developed in the commercial world.

Seasonal variations in the developmental competence of bovine oocytes matured in vitro

Ovaries were collected over a period of two years from heifers slaughtered at under 30 months of age and used to harvest 1757 oocytes. After in vitro maturation, fertilisation and culture, the proportions of oocytes and cleaved embryos that developed to blastocysts were significantly higher (P < 0.01) in the autumn, from September to November, than in the spring, from March to May. In contrast, embryo development, as assessed by oocytes that developed to eight or more cells and blastocysts, was lowest (P < 0.01) in the spring. These results were consistent during the two-year study, indicating a seasonal fluctuation in oocyte competence.

Effects of sulphur nutrition during potato cultivation on the formation of acrylamide and aroma compounds during cooking

Lack of sulphur nutrition during potato cultivation has been shown to have profound effects on tuber composition, affecting in particular the concentrations of free asparagine, other amino acids and sugars. This is important because free asparagine and sugars react at high temperatures to form acrylamide, a suspect carcinogen. Free amino acids and sugars also form a variety of other compounds associated with colour and flavour. In this study the volatile aroma compounds formed in potato flour heated at 180 °C for 20 min were compared for three varieties of potato grown, with and without sulphur fertiliser. Approximately 50 compounds were quantified in the headspace extracts of the heated flour, of which over 40 were affected by sulphur fertilisation and/or variety. Many of the 41 compounds found at higher concentrations in the sulphur-deficient flour were Strecker aldehydes and compounds formed from their condensation, whereas only one compound, benzaldehyde, behaved in the same way as did acrylamide and was found at higher concentrations in the sulphur-sufficient flour. The reasons for these effects are discussed.

Elevated atmospheric CO2 changes phosphorus fractions in soils under a short rotation poplar plantation (EuroFACE)

Future high levels of atmospheric carbon dioxide (CO2) may increase biomass production of terrestrial plants and hence plant requirements for soil mineral nutrients to sustain a greater biomass production. Phosphorus (P), an element essential for plant growth, is found in soils both in inorganic and in organic forms. In this work, three genotypes of Populus were grown under ambient and elevated atmospheric CO2 concentrations (FACE) for 5 years. An N fertilisation treatment was added in years 4 and 5 after planting. Using a fractionation scheme, total P was sequentially extracted using H2O, NaOH, HCl and HNO3, and P determined as both molybdate (Mo) reactive and total P. Molybdate-reactive P is defined as mainly inorganic but also some labile organic P which is determined by Vanado-molybdophosphoric acid colorimetric methods. Organic P was also measured to assess all plant available and weatherable P pools. We tested the hypotheses that higher P demand due to increased growth is met by a depletion of easily weatherable soil P pools, and that increased biomass inputs increases the amount of organic P in the soil. The concentration of organic P increased under FACE, but was associated with a decrease in total soil organic matter. The greatest increase in the soil P due to elevated CO2 was found in the HCl-extractable P fraction in the non-fertilised treatment. In the NaOH-extractable fraction the Mo-reactive P increased under FACE, but total P did not differ between ambient and FACE. The increase in both the NaOH- and HCl-extractable fractions was smaller after N addition. The results showed that elevated atmospheric CO2 has a positive effect on soil P availability rather than leading to depletion.We suggest that the increase in the NaOH- and HCl-extractable fractions is biologically driven by organic matter mineralization, weathering and mycorrhizal hyphal turnover.

Effects of variety and nutrient availability on the acrylamide-forming potential of rye grain

Acrylamide is a probable human carcinogen that forms in plant-derived foods when free asparagine and reducing sugars react at high temperatures. The identification of rye varieties with low acrylamide-forming potential or agronomic conditions that produce raw material with low acrylamide precursor concentrations would reduce the acrylamide formed in baked rye foods without the need for additives or potentially costly changes to processes. This work compared five commercial rye varieties grown under a range of fertilisation regimes to investigate the effects of genotype and nutrient (nitrogen and sulphur) availability on the accumulation of acrylamide precursors. A strong correlation was established between the free asparagine concentration of grain and the acrylamide formed upon heating. The five rye varieties accumulated different concentrations of free asparagine in the grain, indicating that there is genetic control of this trait and that variety selection could be useful in reducing acrylamide levels in rye products. High levels of nitrogen fertilisation were found to increase the accumulation of free asparagine, showing that excessive nitrogen application should be avoided in order not to exacerbate the problem of acrylamide formation. This effect of nitrogen was mitigated in two of the varieties by the application of sulphur.

Shoot zinc (Zn) concentration varies widely within Brassica oleracea L. and is affected by soil Zn and phosphorus (P) levels

The low availability of zinc (Zn) in soils and crops affects dietary Zn intake worldwide. This study sought to determine if the natural genetic variation in shoot Zn concentrations (Zn(shoot)) is sufficient to pursue a crop improvement breeding strategy in a leafy vegetable crop. The gene-pool of Brassica oleracea L. was sampled using a large (n = 376) diversity foundation set (DFS), representing almost all species-wide common allelic variation, and 74 commercial varieties (mostly F(1)). The DFS genotypes were grown at low and high soil phosphorus (P) levels under glasshouse and field conditions, and also in a Zn-deficient soil, with or without Zn-fertilisation, in a glasshouse. Despite the large variation in Zn(shoot) among genotypes, environment had a profound effect on Zn(shoot) The heritability of Zn(shoot) was significant, but relatively low, among 90 doubled-haploid (DH) lines from a mapping population. While several quantitative trait loci (QTL) associated with Zn(shoot) occurred on chromosomes C2, C3, C5, C7, and C9, these were generally weak and conditional upon growth conditions. Breeding for Zn(shoot) in B. oleracea is therefore likely to be challenging. Shoot P concentrations increased substantially in all genotypes under low soil Zn conditions. Conversely, only some genotypes had increased Zn(shoot) at low soil P levels. Sufficient natural genetic variation may therefore exist to study some of the interactions between Zn and P nutrition.

Gene expression changes in phosphorus deficient potato (Solanum tuberosum L.) leaves and the potential for diagnostic gene expression markers

Background: There are compelling economic and environmental reasons to reduce our reliance on inorganic phosphate (Pi) fertilisers. Better management of Pi fertiliser applications is one option to improve the efficiency of Pi fertiliser use, whilst maintaining crop yields. Application rates of Pi fertilisers are traditionally determined from analyses of soil or plant tissues. Alternatively, diagnostic genes with altered expression under Pi limiting conditions that suggest a physiological requirement for Pi fertilisation, could be used to manage Pifertiliser applications, and might be more precise than indirect measurements of soil or tissue samples. Results: We grew potato (Solanum tuberosum L.) plants hydroponically, under glasshouse conditions, to control their nutrient status accurately. Samples of total leaf RNA taken periodically after Pi was removed from the nutrient solution were labelled and hybridised to potato oligonucleotide arrays. A total of 1,659 genes were significantly differentially expressed following Pi withdrawal. These included genes that encode proteins involved in lipid, protein, and carbohydrate metabolism, characteristic of Pi deficient leaves and included potential novel roles for genes encoding patatin like proteins in potatoes. The array data were analysed using a support vector machine algorithm to identify groups of genes that could predict the Pi status of the crop. These groups of diagnostic genes were tested using field grown potatoes that had either been fertilised or unfertilised. A group of 200 genes could correctly predict the Pi status of field grown potatoes. Conclusions: This paper provides a proof-of-concept demonstration for using microarrays and class prediction tools to predict the Pi status of a field grown potato crop. There is potential to develop this technology for other biotic and abiotic stresses in field grown crops. Ultimately, a better understanding of crop stresses may improve our management of the crop, improving the sustainability of agriculture.