Crop residue composition and decomposition in transgenic corn agroecosystems: effects of bacillus thuringiensis gene and herbivory

• Main Author: Yanni, Sandra
• Other Authors: Joann Karen Whalen (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Agriculture - Soil Science
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=103693

Bt (Bacillus thuringiensis) corn (Zea mays L.) is reported to have a higher lignin concentration and be more resistant to degradation compared to conventional non-Bt (NBt) hybrids. NBt hybrids are physically affected by the European corn borer (ECB, Ostrinia nubilalis H.), which could increase the deposition of 'stress lignin' in injured tissues and alter the decomposability of corn residue. The objective of this thesis is to test the compositional differences between Bt and NBt corn in terms of fiber, C, and N concentrations and study the decomposition of these residues. The natural variation in lignin between plant parts was also considered to affect the decomposition of corn residue. Field experiments that included 18 Bt and NBt hybrids not infested by ECB showed similarity in lignin and aboveground biomass. Stems from a field-grown Bt hybrid decomposed faster than the NBt near-isoline. In the greenhouse, ECB-infested NBt corn sustained injury, which resulted in lower stem biomass and higher stem N concentration in injured plants. ECB injury did not affect the lignin concentration in stems and CuO oxidation analysis revealed that ECB injury reduced the amount of lignin-derived phenols in stems, which refutes the hypothesis that NBt corn would respond to ECB injury by depositing 'stress lignin'. Infested and non-infested stems buried in the field for five months showed no difference in decomposition due to the Bt gene or herbivory. However, there was 87% more syringic acid in injured NBt stems suggesting that herbivory may enhance lignin decomposition in the longer-term. Under controlled conditions, a 36-week incubation experiment confirmed that Bt and NBt corn tissue decompose at a similar rate, with variation in decomposition rates attributed to the lignin and N concentration in corn tissues. Soils amended with roots (6.2% lignin) produced significantly lower CO2 than stems (3.5% lignin) and leaves (3.2% lignin). In conclusion, the Bt gene and ECB infestation do not affect the chemical composition of corn tissue and should not have an effect on residue decomposition in Bt corn agroecosystems. Due to their elevated lignin concentration, corn roots can make an important contribution to the stabilization of C in the soil. === Le maïs Bt (Bacillus thuringiensis - Zea mays L.) est reconnu contenir plus de lignine et être plus résistant que les maïs hybrides conventionnels (NBt). Ces derniers sont affectés par la pyrale du maïs (European Corn Borer ou ECB, Ostrinia nubilalis H.), qui peut augmenter le dépôt de «lignine causée par le stress» dans les tissus et changer la décomposition des résidus de maïs. L'objective de cette thèse est d'évaluer les différences de composition en fibres, C et N entre les maïs BT et NBt, et d'étudier l'effet de l'herbivorie par ECB sur la décomposition les différentes parties résiduelles du plant. Les expériences menées au champ ont démontré que la biomasse aérienne et le contenu en lignine étaient similaires entre 18 hybrides des types BT et NBt non infestés par l'ECB. Toutefois, les tiges des maïs Bt ont présenté une vitesse de décomposition plus élevée. En serre, les tiges de maïs NBt infesté et meurtri par l'ECB, ont montré une plus faible biomasse et une plus grande concentration en N. Toutefois, les blessures engendrées par l'ECB n'ont pas affectés la concentration de lignine dans les tiges. L'analyse par oxydation au CuO a démontré que les blessures ont réduit la quantité de phénols dérivés de la lignine réfutant ainsi l'hypothèse que le NBt répond aux meurtrissures de l'ECB en produisant un dépôt de lignine. Suite à une décomposition sous terre de cinq mois, aucune différence significative due à la présence du gène Bt ou non, n'a été mesurée entre les tiges infestées et non-infestées. Cependant, il y avait 87% plus d'acide syringique dans les tiges de NBt infestées à l'ECB, ce qui suggère que l'herbivorie pourrait améliorer la décomposition à long terme. Dans des conditions contrôlées, une expérience d'incubation de 36 semaines a confirmé que les maïs Bt et NBt se décomposent à la même vitesse; les différences observées étant dues au contenu en lignine et N dans les tissus. Les sols fertilisés avec les racines (6.2% lignine) ont produit beaucoup moins de CO2 que les tiges (3.5% lignine) et les feuilles (3.2% lignine). En conclusion, le gène du Bt ainsi que l'infestation par l'ECB n'affectent pas la composition chimique des tissus de maïs et ne devraient pas affecter la décomposition des résidus de culture. Dû à leur contenu en lignine élevé, les racines de maïs peuvent contribuer de manière importante à la stabilisation du C dans le sol.