Biofumigation Using Brassica juncea Alters Soil Microbiota and Reduces N₂O Emissions in Cropland Soils : Brassica juncea를 이용한 생물훈증이 작물 재배지 토양 미생물상 및 N₂O 배출에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Climate change induced irregular weather patterns have heightened the importance of greenhouse cultivation for stable crop production. However, repeated monocropping in the same soil can increase the incidence of soil-borne diseases in crops such as oriental melon (Cucumis melo L. var. makuwa). Conventional chemical fumigants are effective for pathogen control but have become increasingly restricted due to their risks to human health and the environment, underscoring the need for safer alternatives.

Biofumigation, which involves incorporating residues of Brassica species into the soil to
release volatile sulfur compounds during decomposition, has emerged as an eco-friendly disease control technique. Beyond pathogen suppression, biofumigation may also influence the biological and chemical properties of soil through the additional input of organic matter. Notably, Brassica crops contain glucosinolates, whose degradation products have been reported to reduce nitrous oxide (N₂O) emissions, although the underlying mechanisms remain unclear. These findings suggest that biofumigation could also contribute to N₂O mitigation, potentially through shifts in soil microbial communities induced by fumigation.

This study aimed to evaluate the effects of biofumigation using Brassica juncea residues under greenhouse conditions on soil microbial community structure and nitrogen cycling functions, and to assess how these changes influence greenhouse gas emissions and crop productivity. The results revealed significant alterations in bacterial community diversity in biofumigated soils, while functional predictions based on PICRUSt2 indicated shifts in nitrogen cycling pathways. Furthermore, the biofumigation treatment showed a decreasing trend in N₂O emissions and a concomitant increase in oriental melon yield. Collectively, these findings suggest that biofumigation regulates soil microbial communities and nitrogen cycling, thereby serving as a sustainable agricultural strategy that not only suppresses soil-borne pathogens but also contributes to greenhouse gas mitigation and enhanced crop productivity.

국문 초록 (Abstract)

기후변화에 따른 불규칙한 기상변화는 안정적인 작물 생산을 위한 시설재배의 중요성을 높이고 있다. 그러나 동일한 토양에서 단일 작물을 반복적으로 경작하는 것은 참외(Cucumis melo L. var. makuwa)를 비롯한 작물에서 토양전염성 병해를 유발할 수 있다. 기존의 화학훈증제는 병원균 방제에 효과적이나, 인체 및 환경 위해성으로 인해 사용이 제한적이며 보다 안전한 대체 기술의 필요성이 제기되고 있다.

생물훈증은 배추과 작물의 잔사를 토양에 혼입하여 분해 시 발생하는 휘발성 황화합물을 통해 병원균을 억제하는 친환경적 방제 기술이다. 나아가 단순히 병해 억제에 그치지 않고, 잔사 투입에 따른 유기물 공급을 통해 토양의 생물학적 및 화학적 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 특히 배추과 작물에는 글루코시놀레이트가 함유되어 있으며, 이들의 분해 산물이 아산화질소 배출을 저감할 수 있다는 연구 결과가 보고된 바 있다. 비록 그 작용 메커니즘은 아직 명확히 규명되지 않았으나, 이러한 결과는 생물훈증 또한 N2O 배출 저감 효과를 나타낼 수 있음을 시사하며, 이는 훈증 처리에 따른 토양 미생물 군집의 변화와 관련되었을 가능성이 있다.

본 연구는 시설재배 조건에서 Brassica juncea 식물 잔사를 활용한 생물훈증 처리가 토양 미생물 군집 구조와 질소 순환 기능에 미치는 영향을 분석하고, 이러한 변화가 온실가스 배출 및 작물 생산성에 미치는 효과를 평가하는 것을 목적으로 하였다. 그 결과, 생물훈증 처리구에서 세균 군집의 다양성이 유의하게 변화하였으며, PICRUSt2를 통한 예측 기능 분석에서도 질소 순환 관련 경로의 변동이 관찰되었다. 또한 생물훈증 처리구는 N2O 배출 저감 경향을 보였으며, 참외의 수량 또한 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 결과는 생물훈증이 토양 미생물 군집과 질소 순환을 조절함으로써 병원균 억제뿐 아니라 온실가스 저감과 작물 생산성 향상에 기여할 수 있는 지속가능한 농업 전략임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Materials and Methods 4
• 2.1. Biofumigation Treatment and Sampling 4
• 2.2. Soil and Gas Sampling 5
• 2.3. Flux Calculation 5
• 2.4. 16S rRNA Gene Amplicon Sequencing 6
• 2.5. Droplet Digital PCR (ddPCR) 7
• 2.6. Glucosinolate Extraction and Desulfation 7
• 2.7. HPLC Analysis and Elemental Composition 8
• 2.8. Cultivation and Harvest of Oriental Melon 10
• 2.9. Statistical and Bioinformatics Analysis 10
• 3. Results 13
• 3.1. Comparison of Glucosinolate Content in Brassica juncea 13
• 3.2. Changes in Soil Microbial Community Structure Following Biofumigation 13
• 3.3. Quantitative Changes in Bacterial Abundance During Biofumigation 17
• 3.4. N₂O Emission Trends Across the Biofumigation Period 19
• 3.5. PICRUSt2 Based Predictions of Nitrogen Cycling Pathways 22
• 3.6. Yield responses of oriental melon to biofumigation treatments 25
• 4. Conclusion 28
• References 30