Unlock P with roots?

Unlock P with roots ?  E. Le Cadre Montpellier SupAgro Joint Unit Research « Functional ecology &  Biogeochemistry of Soils & Agro‐ecosystems » www.fa...
Author: Mercy Tucker
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Unlock P with roots ?  E. Le Cadre Montpellier SupAgro Joint Unit Research « Functional ecology &  Biogeochemistry of Soils & Agro‐ecosystems » www.facebook/ecosols (in french) http://www6.montpellier.inra.fr/ecosols_eng/ (in english)

POSITIONNEMENT DE LA RECHERCHE ™ Agriculture et demande alimentaire mondiale

How ? 

Bloom algaux de M.aeruginosa, Lac Erié, USA Sutton et al 2011, Nature

Pollution

Géopolitique Raréfaction des ressources

Rapport FAO, 

1

Fertilizers

Bloom algaux de M.aeruginosa, Lac Erié, USA ƒ Pollution and Biodiversity loss (Payne et al, 2013)

ƒ Some raw materials are finite and non evenly distributed (Cordell et al, 2009, Withers et al, 2014)

« Too much of a good thing » ƒ Soil quality degradation (Cassman, 1999; Lal et al, 2006) (Sutton et al 2011, Nature)

2

POSITIONNEMENT DE LA RECHERCHE ™ Agriculture et demande alimentaire mondiale Bloom algaux de M.aeruginosa, Lac Erié, USA Sutton et al 2011, Nature

Pollution

Agro ecological transition

Géopolitique

Raréfaction des ressources

Rapport FAO, 

Which solutions for P fertilization in agroecolo ? ‹ Close the biogeochemical cycles (waste and livestock recycling,  nitrogen fixation, …)

‹ Plant sciences ‹ Soil quality

‹ Use legacy soil ressources

3

Use biological activities rather than fertilizers

residusphere Photo M. Bravin, CIRAD  (Rhizotest)

drilosphere

Photo : SIMBIOS, Aberdeen, UK

rhizosphere

Soil aggregates

SOL Mineral forms

Organic forms

Use biological activities rather than fertilizers Environmental availability

Total concentration in soils

soil – solution interactions

soil

Potentially available concentration

Environmental

bioavailability

Bioavailability

rhizosphere absorption membrane

plant (root)

Adapted from Harmsen et al. 2007. Measuring bioavailability: from a scientific approach to standard methods. J Environ Qual. 2007 31;36(5):1420‐1428. 

4

Use biological activities rather than fertilizers

P-H2O (µg kg-1) 140 120

Chromic Cambisol

Mesuré * +60% 80 Mesuré Simulé

100

60

40 20 0

NO3-

« Bulk soil »

Rhizosphere Rhizosphère

Rhizosphere

Devau N, Le Cadre E, Hinsinger P, Gérard F. 2010. Ann. Bot., 1183‐1197

ANR Perfcom Peuplements complexes Performants en agriculture bas intrants – Interaction multitrophique et  facilitation intergénotypique

Soil P is a treasure and roots the thieves ? RHIZOSPHERE and roots 100 µm

(Source : Jaillard and Hinsinger, 1993).

(Source : : Margaret E. Mc Cully) (Photo: Margaret E. McCully, Dpt Plant Biology, Biology, Carleton University, Canada)

10

5

Soil P is a treasure and roots the thieves ? RHIZOSPHERE and roots 100 µm

‹ Chemistry ‹ Physics ‹ Biology (Source : Jaillard and Hinsinger, 1993).

(Source : : Margaret E. Mc Cully) (Photo: Margaret E. McCully, Dpt Plant Biology, Biology, Carleton University, Canada)

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Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Distance from roots (mm)

Jones DL, Hodge A. Kuzyakov Y. 2004. Plant and Mycorrhizal regulation of rhizodeposition.  New Phytologist. 163: 459‐480

6

Soil P is a treasure and roots the thieves ? ‹ Plant internal demand

Factors influencing P uptake

‹ Root architecture biomass

‹ Root activity Source: Jaillard and Hinisnger, 1993

(Source : Jaillard and Hinsinger, 1993).

Pagès et al., 2004 13

Soil P is a treasure and roots the thieves ? ‹ Plant internal demand ‹ Root architecture biomass

‹ Root activity

Shen J., Yuan L., Zhang J., Li H., Bai Z., Chen X., Zhang W., Zhang F. 2011. Update on phosphorus Dynamics in the soil‐plant  Contiunum. Plant Physiol. 156, 997‐1005.

7

Soil P is a treasure and roots the thieves ? ‹ Plant internal demand ‹ Root architecture biomass

‹ Root activity (Source : Jaillard and Hinsinger, 1993).

Richardson AE, Barea JM, McNeill A., Pringent‐Combaret C. 2009. Plant Soil 321: 305‐339

Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Net exsudation of protons (mmol Kg‐1 de sol)

. Soil pH 

OH ‐

Distance par rapport à la racine (mm)

H+

NO3‐

300 mg N Kg‐1 100 mg N Kg‐1

NH4+

300 mg N Kg‐1 100 mg N Kg‐1

8

Soil P is a treasure and roots the thieves ? . Soil pH  P-H2O (µg kg-1) 800

Experiments

Chromic Cambisol

600

pH initial Acide

Luvisol

Base

400

pH init. 200

MODELISATION (visual Mineteq)

0 3

4

5

6

pH du sol

7

9

8

Devau N,  Hinsinger P, Le Cadre E, Colomb B, Gérard F. 2011. Geochim. Cosmo. Acta, 2980‐2996 Devau N, Le Cadre E, Hinsinger P, Jaillard B, Gérard F. 2009. Appl. Geochemistry, 2163‐2174

ANR Perfcom Peuplements complexes Performants en agriculture bas intrants – Interaction multitrophique et  facilitation intergénotypique

Soil P is a treasure and roots the thieves ? Adsorbed P (mg kg-1) 100 80

. Soil pH 

Chromic Cambisol Oxydes Fe

Illite

Kaolinite

60

¾ Control of P availability by soil minerals and especially clays

40 20 0 4

5

6

Soil pH

Adsorbed P (mg 100 80

7

8

9

kg-1)

Adsorbed P (mg kg-1) 100

LuvisolP-

60

60

40

40

20

20

0

LuvisolP+

80

4

5

6

7

Soil pH

8

9

0 4

5

6

Soil pH

7

8

9

Devau N,  Hinsinger P, Le Cadre E, Colomb B, Gérard F. 2011. Geochim. Cosmo. Acta, 2980‐2996 Devau N, Le Cadre E, Hinsinger P, Jaillard B, Gérard F. 2009. Appl. Geochemistry, 2163‐2174

9

Soil P is a treasure and roots the thieves ? . Soil trophic relationships

myo‐inositol hexakis‐phosphate (phytate) Up to 80% of soil organic P P

P

P P

P

P

P

P

P

P

Specialized  enzymes

P

P

Phytases

Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Research question: What is the role of bacteria in phytate-P cycling ?

. Soil trophic relationships Plant shoot Plant root Phytase release

Mycorrhiza Uptake

Soil Phytate 

Free Pi  Mineralization

Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

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Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Research question: What is the role of bacteria in phytate-P cycling ?

. Soil trophic relationships Plant shoot Phytate mineralizing Bacteria

Plant root Mycorrhiza

Immobilization

Uptake

Soil Phytate 

Free Pi  Mineralization P P

P P P

P P

P Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France

ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Research question: What is the role of bacteria in phytate-P cycling ?

. Soil trophic relationships Plant shoot Phytate mineralizing Bacteria

Plant root Immobilization

Mycorrhiza Uptake

Soil Phytate 

Free Pi  Mineralization

The new question is : how to unlock the bacterial P ? Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

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Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Hypothesis: Role of trophic relationships?

. Soil trophic relationships ¾ Microfauna such as protozoa and nematodes are living in soils ¾ Populations of nematodes in soils = the most abundant organisms Bacterial‐feeders

Fungal‐feeders

Predatory nematodes

Omnivores

Root‐feeders Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Hypothesis: Role of trophic relationships via bacterial grazing

. Soil trophic relationships Grazers

Plant shoot

Phytate mineralizing Bacteria

Plant root Mycorrhiza

Immobilization

Uptake

Soil Phytate 

Free Pi  Mineralization P P

P P P

P P

P

Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

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Soil P is a treasure and roots the thieves ? . Soil trophic relationships Same biological partners: P. pinaster +/‐ H. cylindrosporum +/‐ Bacteria (Bacillus subtilis) +/‐ Bacterial feeding nematodes 

Culture conditions: Two P sources  ‐ Soluble P (KH2PO4 3 mM) ‐ Phytate 1 mM 100 days of culture Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

Soil P is a treasure and roots the thieves ?

Net Plant P accumulation (mg plant-1)

. Soil trophic relationships Soluble P 1.2

Phytate

None Bact N+Bact

Expt 1   Expt 1  

0.8

a

a

a

a

a a a a

b X 3.5

0.4

X 2.7

c

d d 0.0 NM plants

M plants

NM plants

M plants

With nematodes total plant P accumulation from phytate (+ 0.8 mg P) is very  close to that in mineral P Plassard C. 2015. PSP5 conference, Montpellier, France ANR BLANC Unlock P: Mobilisation of soil phytate : what are the keys to unlock phosphorus from this treasure ?

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Conclusions  : Unlock P in action(s) 

1. Cropping systems

Photo ANR Perfcom, INRA Coord. P. Hinsinger

Philippe Hinsinger et al. Plant Physiol. 2011. 156:1078-1086

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2. New innovative fertilizer to use soil P  legacy Nanobiotechnologies

Ghormade et al, 2011 in Biotech. Adv.

Withers et al, 2014 in Env. Sci. Tech.

« Manipulating extracellular enzyme activities for ecosystem services » Burns et al, 2013 in Soil Biol.  Biochem.  

2. New innovative fertilizer to use soil P  legacy P (μmoles P / plante) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Control

Nanofertilizers

Trouillefou C, Le Cadre E, Cacciaguerra T, Cunin F, Plassard C, Belamie E. 2014.  J. Sol‐Gel Technol. + 1 Patent 

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3. A new genotype selection

Krasilnikoff et al. 2003.  Variation in phosphorus uptake efficiency by  genotypes of cowpea (Vigna Unguiculata) due to  differences in root and root hair length and  induced rhizosphere processes.  Plant Soil. 251: 83‐91.

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