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Agroécologie, INRAE, Institut Agro, Université de Bourgogne - Université de Bourgogne Franche-Comté, Dijon, FranceMicrobiota, with their consortia of genomes, extend the genetic repertoires of host plants to form ‘extended genotypes’, resulting in extended host phenotypes. Trecently, the term ‘holobiont’, which encompasses the host plant plus its associated microbiota, has been proposedHow environmental properties impact both the plant and microbial components of the holobiont, and its phenotype, still remain to be explored.We addressed this question by testing the impact of different abiotic conditions (drought stress and soil pH) on plant and microbial phenotypes in relation to iron. Iron bioavailability is essential to plant and microbial physiology, and depends on soil aeration and pH.Two pea cultivars, showing different tolerance to iron chlorosis, were cultivated in two soils with different pH and textures. Aeration of these soils was modified by submitting them to three different matric potentials (saturated water SW, field capacity FC and wilting point WP). Pea phenotypes were characterized by measuring their biomass and ionomic content. Microbial phenotypes were characterized by assessing their ability to synthesize siderophores and their susceptibility to iron stress.Plant biomass and iron content were lower in both soils when they were submitted to drought stress (WP), likely to increased soil aeration and thus iron oxidation leading to low bioavailability. Accordingly, the occurrence of bacterial isolates producing siderophores was higher in these iron stress conditions. This bioavailability is known to be even more decreased in soils with higher pH, and isolates were indeed further less susceptible to iron deficiency.In conclusion, microbial populations producing siderophores were more represented in drought conditions, corresponding to higher aeration, whatever the soil was. This suggests that drought stress has a similar impact on both the plant and microbial phenotypes whatever the soil type is.

To meet the needs of human populations, agriculture is increasingly intensive, using a very large number of nitrogen fertilizers to increase yields. These fertilizers are used because nitrogen is one of the most important and limiting factors for plant growth. Nitrogen in the form of nitrate is subject to pollution problems that can affect the environment and human health. The challenges for tomorrow's agriculture are therefore to face an ever-increasing population, while limiting the impact on our environment. This is why research and agriculture are increasingly questioning the use of other products such as biostimulants or inhibitors, in order to limit inputs while maintaining a viable productivity rate. One solution would be to act on soil microorganisms linked to the nitrogen cycle in order to limit nitrogen losses from agrosystems through greenhouse gas (N2O) emissions, leaching and/or volatilization. Indeed, in soils, nitrate is also used by so-called denitrifying bacteria, which reduce it to N2O (greenhouse gases) and N2, representing a loss of nitrogen for crops and an increase in air pollution. As a result, plants compete directly with these bacteria for the assimilation of nitrate. Recently, the supervising team of this thesis has highlighted a strategy developed by some plants consisting of the production of secondary metabolites: procyanidins, which inhibit the denitrification of soil microbial communities. Procyanidins have the ability to inhibit the first step of denitrification in denitrifying bacteria, transforming nitrate into nitrite and thus preventing the use of nitrate, without however exerting an antibacterial effect. This strategy therefore preserves the nitrate in the soil, which can then be used by plants for their nutrition and growth. The main objective of this thesis was to evaluate the effect of the application of exogenous procyanidins at several field concentrations on a plant model of economic interest, lettuce, as well as on different soil types. These effects have also been tested on another model of economic interest that consumes nitrogen, celery. During these experiments, measurements were made on (i) microbial denitrification activity, (ii) plant traits related to growth and (iii) the abundance of denitrifying bacterial communities. Our results show an induction of a BDI in the field, a conservation of nitrate inducing in turn an improvement in plant growth and a counter-selection by the plant of denitrifiers. The other point addressed, which was rather fundamental but less successful due to a lack of time, was to highlight, via the use of Arabidopsis thaliana mutants affected in the production of procyanidins or overproducing procyanidins, a return to the plant of nitrogen diverted following the BDI; Pour répondre aux besoins des populations humaines, l'agriculture est de plus en plus intensive, utilisant un très grand nombre d'engrais azotés pour augmenter les rendements. Ces engrais sont utilisés parce que l'azote est l'un des facteurs les plus important et limitant pour la croissance des plantes. L’azote sous forme de nitrate est soumis à des problématiques de pollutions pouvant affecter l’environnement ainsi que la santé humaine. Les défis de l'agriculture de demain sont donc de faire face à une population toujours plus nombreuse, tout en limitant l'impact sur notre environnement. C’est pour cela que la recherche et l’agriculture se questionnent de plus en plus sur l’utilisation d’autres produits comme les biostimulants ou des inhibiteurs, afin de limiter les intrants tout en conservant un taux de productivité viable. Une solution consisterait à agir sur les microorganismes du sol liés au cycle de l’azote afin de limiter les pertes des agrosystèmes en azote via le dégagement de gaz à effet de serre (N2O), de lessivage ou/et de volatilisation. En effet, dans les sols, le nitrate est également utilisé par les bactéries dites dénitrifiantes qui le réduisent en N2O (gaz à effet de serre) et N2, représentant alors une perte d’azote pour les cultures et une augmentation de la pollution atmosphérique. Par conséquent, les plantes sont en compétition directe avec ces bactéries pour l'assimilation du nitrate. Récemment, l’équipe encadrante de cette thèse a mis en évidence une stratégie développée par certaines plantes consistant en la production de métabolites secondaires : les procyanidines, qui inhibent la dénitrification des communautés microbiennes du sol. Les procyanidines ont la capacité d’inhiber, chez les bactéries dénitrifiantes, la première étape de la dénitrification transformant le nitrate en nitrite et ainsi d’empêcher l’utilisation du nitrate, sans toutefois exercer un effet antibactérien. Cette stratégie permet de conserver par conséquent le nitrate dans le sol, celui-ci pouvant alors être utilisé par les plantes pour leur nutrition et leur croissance. L’objectif principal de cette thèse a été d’évaluer l’effet de l’application de procyanidines exogènes à plusieurs concentrations en champs sur un modèle de plante d’intérêt économique, la laitue, ainsi que sur différents types de sols. Ces effets ont également été testés sur un autre modèle d’intérêt économique consommatrice d’azote, le céleri. Au cours de ces expérimentations, des mesures ont été effectuées sur (i) l’activité microbienne de dénitrification, (ii) les traits végétaux en lien avec la croissance et (iii) l’abondance des communautés bactériennes dénitrifiantes. Nos résultats montrent une induction d'un BDI en champs, une conservation du nitrate induisant à son tour une amélioration de la croissance des végétaux et une contre sélection par la plante des dénitrifiants. L’autre point abordé, plutôt fondamental mais qui a moins abouti faute de temps, consistait à mettre en évidence via l’utilisation de mutants d’Arabidopsis thaliana affectés dans la production des procyanidines ou surproduisant les procyanidines, un retour vers la plante de l’azote détourné suite au BDI

This thesis focuses on the functioning of the rhizosphere in the context of revegetation of contaminated soils. We evaluated the impact of model contaminants (phenanthrene and cadmium) on maize (Zea mays L.) rhizodeposition to better understand the role of rhizodeposition in the plant's tolerance to this type of abiotic stress. To this end, a system of plant cultivation and rhizodeposit collection was set up to assess the response of maize to pollutant exposure. Our methodological development aimed at placing the plants in conditions as close as possible as those of soil cultivation, while allowing the collection of the two main families of rhizodeposits: root exudates and mucilage. Tools for characterizing the collected rhizodeposits were developed (colorimetric analyses, LC-MS, GC-MS) in order to determine the main families of compounds emitted by roots such as carbohydrates, amino acids, proteins and organic acids. Finally, the role of the molecules highlighted in our experiments on pollutant dynamics was discussed. This study revealed changes in the metabolic profile of rhizodeposition in presence of pollutants and those differences may vary considering the nature of the pollutant (organic or metallic). Cd caused a decrease of almost all compound emissions by maize roots (total carbon, carbohydrates, amino acids). Only proteins did not appear to be affected by the presence of the metal, while the exudation of organic acids increased with Cd exposure. Phenanthrene, on the other hand, increased the quantity of exuded carbon while it decreased the carbon secreted in the mucilage. In addition, it induced an increase in the emission of simple and polymerized carbohydrates, fatty acids and proteins while diffused organic acids decreased. In addition to the presence of pollutants, the development of maize was studied by analysing its rhizodeposition at the 4, 6 and 8-leaf stages. The effect of Cd on exudation seemed to increase from the 6-leaf stage, while that of phenanthrene tended to decrease. On the other hand, the influence of pollutants on mucilage seemed less marked and more constant over time. Finally, many rhizodeposited molecules have been identified as playing a role in the pollutants’ dynamics in the soil and therefore in their tolerance by the plant, in particular through complexation or solubilisation mechanisms.; Cette thèse porte sur le fonctionnement de la rhizosphère dans un contexte de végétalisation de sols contaminés. Nous avons évalué l’impact de contaminants modèles (phénanthrène et cadmium) sur la rhizodéposition du maïs (Zea mays L.), afin de mieux comprendre le rôle joué par la rhizodéposition dans la tolérance de la plante à ce type de stress abiotique. Pour cela, un dispositif de culture et de collecte des rhizodépôts permettant d’évaluer la réponse du maïs à une exposition aux polluants a été mis en place. Ce développement méthodologique s’est attaché en particulier à mettre les plantes dans des conditions amenant à un fonctionnement aussi proche que possible de celui de conditions de culture normales dans un sol, tout en permettant la collecte des deux principales familles de rhizodépôts : les exsudats racinaires et le mucilage. Des outils de caractérisation des rhizodépôts récoltés ont été développés (analyses colorimétriques, LC-MS, GC-MS) afin de doser les principales familles de composés émis par les racines telles que les glucides, les acides aminés, les protéines et les acides organiques. Enfin, les rôles connus des molécules mises en évidence dans les expériences précédentes sur la dynamique des polluants ont été discutés. Cette étude a permis de mettre en évidence des modifications du profil métabolique de la rhizodéposition en présence de polluants et ce de façon différenciée selon qu’il s’agissait de polluants organiques ou métalliques. La présence de Cd entraine chez le maïs une diminution globale des composés émis par les racines (carbone total, glucides, acides aminés). Seules les protéines ne semblent pas être affectées par la présence du métal tandis que l’exsudation d’acides organiques augmente avec l’exposition au Cd. Le phénanthrène, quant à lui, entraîne une augmentation du carbone exsudé alors qu’il entraîne au contraire une diminution du carbone secrété dans le mucilage. De plus, il induit une augmentation de l’émission des glucides simples et polymérisés, des acides gras et des protéines tandis qu’il entraîne une baisse de la diffusion d’acides organiques. En plus de la présence de polluants, le développement du maïs a été étudié en analysant parallèlement sa rhizodéposition aux stades 4, 6 et 8 feuilles. L’effet du Cd sur l’exsudation semble s’accentuer à partir du stade 6 feuilles tandis que celui du phénanthrène tend au contraire à s’atténuer. L’influence des polluants sur le mucilage semble en revanche moins marquée et plus constante au cours du temps. Enfin, de nombreuses molécules rhizodéposées ont été identifiées comme pouvant jouer un rôle dans la dynamique des polluants dans le sol et par conséquent leur tolérance par la plante, notamment au travers des mécanismes de complexation ou de solubilisation.

This thesis focuses on the functioning of the rhizosphere in the context of revegetation of contaminated soils. We evaluated the impact of model contaminants (phenanthrene and cadmium) on maize (Zea mays L.) rhizodeposition to better understand the role of rhizodeposition in the plant's tolerance to this type of abiotic stress. To this end, a system of plant cultivation and rhizodeposit collection was set up to assess the response of maize to pollutant exposure. Our methodological development aimed at placing the plants in conditions as close as possible as those of soil cultivation, while allowing the collection of the two main families of rhizodeposits: root exudates and mucilage. Tools for characterizing the collected rhizodeposits were developed (colorimetric analyses, LC-MS, GC-MS) in order to determine the main families of compounds emitted by roots such as carbohydrates, amino acids, proteins and organic acids. Finally, the role of the molecules highlighted in our experiments on pollutant dynamics was discussed. This study revealed changes in the metabolic profile of rhizodeposition in presence of pollutants and those differences may vary considering the nature of the pollutant (organic or metallic). Cd caused a decrease of almost all compound emissions by maize roots (total carbon, carbohydrates, amino acids). Only proteins did not appear to be affected by the presence of the metal, while the exudation of organic acids increased with Cd exposure. Phenanthrene, on the other hand, increased the quantity of exuded carbon while it decreased the carbon secreted in the mucilage. In addition, it induced an increase in the emission of simple and polymerized carbohydrates, fatty acids and proteins while diffused organic acids decreased. In addition to the presence of pollutants, the development of maize was studied by analysing its rhizodeposition at the 4, 6 and 8-leaf stages. The effect of Cd on exudation seemed to increase from the 6-leaf stage, while that of phenanthrene tended to decrease. On the other hand, the influence of pollutants on mucilage seemed less marked and more constant over time. Finally, many rhizodeposited molecules have been identified as playing a role in the pollutants’ dynamics in the soil and therefore in their tolerance by the plant, in particular through complexation or solubilisation mechanisms., Cette thèse porte sur le fonctionnement de la rhizosphère dans un contexte de végétalisation de sols contaminés. Nous avons évalué l’impact de contaminants modèles (phénanthrène et cadmium) sur la rhizodéposition du maïs (Zea mays L.), afin de mieux comprendre le rôle joué par la rhizodéposition dans la tolérance de la plante à ce type de stress abiotique. Pour cela, un dispositif de culture et de collecte des rhizodépôts permettant d’évaluer la réponse du maïs à une exposition aux polluants a été mis en place. Ce développement méthodologique s’est attaché en particulier à mettre les plantes dans des conditions amenant à un fonctionnement aussi proche que possible de celui de conditions de culture normales dans un sol, tout en permettant la collecte des deux principales familles de rhizodépôts : les exsudats racinaires et le mucilage. Des outils de caractérisation des rhizodépôts récoltés ont été développés (analyses colorimétriques, LC-MS, GC-MS) afin de doser les principales familles de composés émis par les racines telles que les glucides, les acides aminés, les protéines et les acides organiques. Enfin, les rôles connus des molécules mises en évidence dans les expériences précédentes sur la dynamique des polluants ont été discutés. Cette étude a permis de mettre en évidence des modifications du profil métabolique de la rhizodéposition en présence de polluants et ce de façon différenciée selon qu’il s’agissait de polluants organiques ou métalliques. La présence de Cd entraine chez le maïs une diminution globale des composés émis par les racines (carbone total, glucides, acides aminés). Seules les protéines ne semblent pas être affectées par la présence du métal tandis que l’exsudation d’acides organiques augmente avec l’exposition au Cd. Le phénanthrène, quant à lui, entraîne une augmentation du carbone exsudé alors qu’il entraîne au contraire une diminution du carbone secrété dans le mucilage. De plus, il induit une augmentation de l’émission des glucides simples et polymérisés, des acides gras et des protéines tandis qu’il entraîne une baisse de la diffusion d’acides organiques. En plus de la présence de polluants, le développement du maïs a été étudié en analysant parallèlement sa rhizodéposition aux stades 4, 6 et 8 feuilles. L’effet du Cd sur l’exsudation semble s’accentuer à partir du stade 6 feuilles tandis que celui du phénanthrène tend au contraire à s’atténuer. L’influence des polluants sur le mucilage semble en revanche moins marquée et plus constante au cours du temps. Enfin, de nombreuses molécules rhizodéposées ont été identifiées comme pouvant jouer un rôle dans la dynamique des polluants dans le sol et par conséquent leur tolérance par la plante, notamment au travers des mécanismes de complexation ou de solubilisation.

La terre a traversé plus de 4 milliards d’années en gardant à sa surface des températures compatibles avec la vie la plupart du temps. Le cycle géologique du carbone au travers l’érosion des roches et des éruptions volcaniques contribue avec d’autres processus à réguler le climat. Cependant, à travers le temps, la co-évolution entre les organismes vivants et leur environnement aboutit parfois à des ruptures de la chimie de l’atmosphère (gaz à effet de serre, GES) et du climat entrainant une extinction des espèces. Ainsi l’Homme peut être vu comme la dernière innovation technique de l’évolution en passe de provoquer un accident climatique et écologique global. La combustion d’énergie fossile et l’agriculture et ont fait passer la teneur en CO2 atmosphérique, principal GES, de 280 à 400 ppm en 150 ans avec des conséquences visibles sur les glaciers, le climat et le niveau des mers. Ces modifications anthropiques s’accompagnent d’une chute de la biodiversité. Les prévisions pour le 21ème siècle prévoient une accélération des émissions de GES et des événements climatiques extrêmes qui devraient entrainer des déplacements de populations et des conflits. Cependant, à l’inverse des autres espèces par le passé, l’Homme a la capacité de prendre conscience de ces changements et d’en corriger la trajectoire. Outre, les défis socioéconomiques que posent le changement climatique et qui ne sont pas le sujet de ce manuscrit, l’Homme a besoin de connaissances sur le fonctionnement des écosystèmes en lien avec la biodiversité afin d’anticiper les effets du réchauffement et de disposer de leviers d’actions. Ce manuscrit d’HDR résume quinze années de recherche sur les cycles biogéochimiques des écosystèmes terrestres dans un contexte de changement climatique et de développement d’une agriculture durable. Mes travaux de recherche ont contribué à 1) explorer les métabolismes et les facteurs contrôlant les flux de carbone et d’azote, en particulier dans le sol et la rhizosphère des plantes, 2) identifier les stratégies de vie des microorganismes décomposeurs et des plantes au regard de ces cycles et 3) une analyse systémique des échanges de matière entre les organismes vivants afin de comprendre les cascades d’effet et les boucles de rétroactions. La finalité première de mes recherches est de prévoir l’impact des changements globaux (réchauffement climatique, chimie de l’atmosphère et modèles agricoles) sur les services écosystémiques adossés aux processus biogéochimiques (productions, stockage de carbone...). Les résultats indiquent une capacité des sols des écosystèmes peu perturbés et diversifiés (prairies permanentes, forêts) à accumuler des matières organiques créant un puits de carbone. Le stockage de carbone dans les sols n’augmente pas nécessairement avec les entrées de carbone, il peut même diminuer. Ainsi l’augmentation de la production primaire sous CO2 élevé n’augmentera pas ou peu le puits de carbone. Cependant, les retombées d’azote atmosphérique, la fixation symbiotique et la dégradation des roches par les mycorhizes devraient intensifier le puits de carbone en levant les contraintes stœchiométriques (azote, phosphore) des plantes et des microorganismes stockeurs de carbone du sol. Le transfert du carbone organique du sol dans les horizons profonds permet un stockage de celui-ci pendant des millénaires dans certaines conditions. Cependant, un changement de profondeur d’enracinement des végétaux peut soudainement réactiver sa minéralisation en CO2 par les microorganismes de la rhizosphère. Mes investigations ont mis en lumière le paradoxe de la synchronisation entre l’offre microbienne en nutriments minéraux et la demande des végétaux dans les écosystèmes naturels. Défi majeur en l’agriculture, cette synchronisation a très peu de chances de se produire de manière spontanée puisqu’elle dépend de deux organismes indépendants dont les réponses à l’environnement diffèrent. Un mécanisme de régulation ajustant l’offre à la demande a été identifié : deux groupes fonctionnels microbiens créent un tapis roulant de nutriments minéraux sur lequel se nourrit la plante. De cette façon de grandes quantités de nutriments peuvent être transférée du sol à la plante tout en évitant les pertes par lessivage et dénitrification. Il semblerait que les cultures annuelles aient perdu ce mécanisme de synchronisation offre-demande expliquant leur piètre performance environnementale. Cependant, l’association d’un blé avec des plantes pérennes a permis de rétablir la synchronisation offre-demande et les services qui lui sont associés. Ces résultats suggèrent de nouvelles pistes de recherche. La biodiversité contribuerait à créer des systèmes auto organisés où les échanges de matière sont optimisés afin de garantir la pérennité des parties et une utilisation de l’énergie lumineuse maximisée dans le temps. Elle pourrait également contribuer à adapter les écosystèmes aux évolutions climatiques. Ainsi le rôle de la coopération entre les organismes vivants dans le processus de sélection naturelle et le fonctionnement des écosystèmes pourrait être largement sous-estimé. S’inspirant de ces nouvelles connaissances, des nouveaux systèmes de culture bio-diversifiés et à hautes performances environnementales peuvent être conçus., The earth has passed more than 4 billion years, keeping on its surface temperatures compatible with life most of the time. The geological cycle of carbon through erosion of rocks and volcanic eruptions contributes with other processes to regulate the climate. However, over time, the co-evolution between living organisms and their environment sometimes leads to breaks in the chemistry of the atmosphere (greenhouse gases, GHGs) and climate leading to species extinction. Humans can be seen as the latest technical innovation of evolution causing a global climatic and ecological accident. The combustion of fossil fuels and agriculture has increased the atmospheric CO2 concentration, the main GHG, from 280 to 400 ppm in 150 years with visible consequences on glaciers, climate and sea levels. These global changes are accompanied by a drop in biodiversity. Forecasts for the 21st century predict an acceleration of GHG emissions and extreme weather events that should lead to population displacements and conflicts. However, unlike other species in the past, humans have the capacity to become aware of these changes and to correct their trajectory. In addition to the socio-economic challenges posed by climate change, which are not the subject of this manuscript, humans need knowledge on the functioning of ecosystems in relation to biodiversity in order to anticipate the effects of global warming and to levers of action. This HDR manuscript summarizes fifteen years of research on the biogeochemical cycles of terrestrial ecosystems in the context of climate change and the development of sustainable agriculture. My research has helped to 1) explore the metabolisms and factors controlling carbon and nitrogen fluxes, especially in the soil and plant rhizosphere, 2) identify the life strategies of microorganisms and plants vis-à-vis of biochemical cycles and 3) a systemic analysis of the exchange of matter between living organisms to understand the cascade effects and the feedback loops. The applications of my research are to 1) improve the predictions on the impact of global changes (global warming, atmospheric chemistry and agricultural models) on ecosystem services backed by biogeochemical processes (production, carbon storage ...), 2) optimize the managements of grasslands and their services and 3) eco-design new grain production system inspired from the functioning of permanent grasslands. The results indicate a capacity of undisturbed biodiverse ecosystems (permanent grasslands, forests) to continuously accumulate organic matter in soil creating a global carbon sink. Carbon storage in soils does not necessarily increase with carbon inputs, it can even decrease. Thus, the increase in primary production in response to the rising atmospheric CO2 concentration will not increase the soil carbon sink. However, atmospheric nitrogen deposition, symbiotic fixation, and mycorrhizal degradation of rocks are expected to intensify the soil carbon sink by alleviating the stoichiometric constraints (nitrogen, phosphorus) of plants and soil-carbon-storing microorganisms. The transfer of organic carbon into deep soil horizons allows storage of this carbon for millennia under specific conditions. However, a change in rooting depth of plants can suddenly reactivate its mineralization in CO2 by microorganisms of the rhizosphere. My investigations have highlighted the paradox of the synchronization between the microbial supply of mineral nutrients and the demand of plants in natural ecosystems. Representing a major challenge in agriculture, this synchronization is unlikely to occur spontaneously since it depends on two separate organisms whose responses to environment factors differ. A regulating mechanism that adjusts supply to demand has been identified: two microbial functional groups create a conveyor belt of mineral nutrients on which the plant feeds. In this way large amounts of nutrients can be transferred from the soil to the plant while avoiding leaching and denitrification losses. It seems that annual crops have lost this supply-demand synchronization mechanism, which explains their poor environmental performance. However, the combination of a wheat with perennial plants has restored the synchronization supplydemand and services associated with it. These results suggest new lines of research. Biodiversity would help to create self-organized systems where exchanges of matter are optimized to ensure the durability of the parties and a maximal use of light energy. It could also contribute to adapting ecosystems to climate change. Thus the role of cooperation between living organisms in the process of natural selection and the functioning of ecosystems could be largely underestimated. Inspired by this knowledge, new bio-diversified and sustainable grain production systems can be designed.

National audience; La sélection artificielle, à l’origine des espèces animales et végétales d’intérêt agronomique, est classiquement exercée au niveau de l’individu, voire des gènes. Cependant, appliquer cette sélection au niveau supra-individuel permet l’accès à des sources de variation phénotypique supplémentaires introduites par les interactions inter-individuelles. Dans les procédures de sélection artificielle au niveau des communautés, comme dans les procédures classiques, la diversité tend à s’éroder au cours du temps ce qui peut altérer l’efficacité de la sélection. L’objectif de ma thèse est de déterminer comment la diversité génétique influence l’efficacité de la sélection artificielle et, à partir de ces connaissances, de proposer une procédure de sélection de communautés microbiennes maximisant la croissance des plantes. Une première approche en conditions stériles consistera à sélectionner des communautés bactériennes, construites à partir d’une collection de souches isolées et variant pour leur niveau de richesse spécifique. Dans une seconde approche, la sélection sera appliquée sur des communautés naturelles de diversité variable qui seront soumises à l’arrivée d’autres microorganismes en cours de procédure afin de compenser l’érosion de la diversité. Une dernière approche permettra de vérifier l’effet de la diversité des communautés microbiennes sur la capacité des plantes à prélever l’azote via la sélection artificielle des communautés rhizosphériques.

International audience

National audience; La libération d’une part significative des produits de photosynthèse de la plante sous forme de rhizodépôts constitue une source majeure de composés organiques pour la microflore hétérotrophe du sol qui est principalement en état de stase du fait de la forte compétition nutritionnelle régnant au niveau du sol. Parmi l’immense biodiversité tellurique, la plante sélectionne des populations particulières bien adaptées à l’environnement rhizosphérique et qui diffèrent selon le génotype de la plante. Cette sélection repose sur l’aptitude des populations microbiennes à tirer au mieux profit des composés organiques libérés, mais également sur une signalisation moléculaire à l’origine de phénomènes de reconnaissance spécifique. Le maintien de la libération des rhizodépôts au cours de l’évolution végétale et sa généralité au sein du règne végétal suggèrent que le coût énergétique correspondant est compensé par des bénéfices pour la plante (ex : champignons mycorhizogènes et bactéries fixatrices d’azote). Le phénomène de déclin du piétin échaudage du blé a ainsi été attribué à la sélection par les racines infectées par l’agent pathogène de populations bactériennes productrices d’antibiotiques, ces relations multitrophiques ont probablement contribué au maintien de cette plante. D’une façon générale, il semble que le maintien des espèces végétales en situations peu anthropisées ait reposé sur des processus de coévolution plantes-microorganismes impliquant des bénéfices réciproques. Ces processus sont pour certains d’entre eux très anciens (respectivement 50 et 400 millions d’années pour les symbioses bactériennes fixatrices d’azote et pour les symbioses endomycorhiziennes). Cependant, notre compréhension de ces processus coévolutifs demeure limitée du fait de notre connaissance très partielle de la biodiversité des sols. Les développements techniques relatifs à l’extraction de l’ADN des sols, à l’analyse de son polymorphisme et plus récemment au séquençage haut-débit permettent maintenant d’analyser la diversité génétique des communautés microbiennes. Notre connaissance fragmentaire des processus coévolutifs est également liée à l’insuffisante prise en compte du partenaire végétal lors des études d’écologie de la rhizosphère. L’association de compétences en écologie microbienne, génétique et écophysiologie végétale doit permettre d’identifier des traits génétiques végétaux contribuant à la sélection de populations telluriques favorables, afin d’obtenir à terme des génotypes végétaux valorisant mieux les ressources biotiques et abiotiques et donc nécessitant moins d’intrants. Cette approche s’intègre dans les recherches en agroécologie qui visent à proposer des systèmes de culture innovants tirant profit des interactions entre communautés. Spécialiste de l’écologie microbienne des sols, Philippe Lemanceau est directeur de recherche à l’INRA. Il a une expertise reconnue au niveau international dans les domaines de la biodiversité des sols et des interactions plantes-microorganismes dans la rhizosphère. Les recherches correspondantes sont appliquées à l’agroécologie avec pour objectifs de développer des systèmes de cultures qui préservent et valorisent la biodiversité et les interactions biotiques. Il dirige d’ailleurs l'UMR AgroSup/INRA/Université de Bourgogne ‘Agroécologie' à Dijon. Il a récemment coordonné le programme européen FP7 EcoFINDERS sur la biodiversité et le fonctionnement biologique des sols européens. Il est membre correspondant de l’Académie d’Agriculture de France.

Grapevine is grown in a grafted system, combining the fruit production qualities of the European species (Vitis vinifera) and the phylloxera tolerance of American species (Vitis spp.). However, the use of American rootstocks affects the development, the physiology, and the water and mineral status of the scion. Particularly, the genetic background of grapevine rootstocks appears to be involved in the regulation of phosphorus (P) content of the scion. Phosphorus is an essential nutrient for plant growth, involved in the composition of many cellular components, as well as in the control of metabolic pathways via its role in energy transfer and the regulation of enzymatic activity. Despite its importance, P is one of the most limiting mineral elements for plant growth because of its poor availability in the soil. The objective of this work is to determine mechanisms involved in the control of P nutrition in grapevine, by comparing two rootstocks V. riparia cv. Riparia Gloire de Montpellier (RGM) and V. rupestris x V. berlandieri cv. 1103 Paulsen (1103P) known to confer low and high concentrations of P to their scion respectively. The results show that 1103P is more efficient at acquiring P than RGM, with a higher developed root system allowing greater soil exploration as well as a higher efficiency of P acquisition. In addition, this rootstock shows better use of its reserves of P in perennial parts to optimize the growth of the shoot. However, the ability of genotypes to increase the assimilable P in the rhizosphere does not seem to be different. Finally, the effect of grafting, and more particularly of the scion genotype, has been studied, demonstrating the capacity of V. vinifera to alter the development and root functioning of the rootstock. These results contribute to our understanding of the mechanisms regulating the mineral nutrition in grapevine and highlight the role of the genetic background of the rootstock, as well as its regulation by the scion.; La Vigne est cultivée en système greffé, combinant les qualités de production fruitière des Vignes Européennes (Vitis vinifera) et la tolérance phylloxérique des Vignes Américaines (Vitis spp.). Cependant l’utilisation de porte-greffes américains modifie le développement, la physiologie, et l’alimentation hydrique et minérale du greffon. Plus particulièrement, le fond génétique des porte-greffes de la Vigne semble impliqué dans la régulation de la nutrition en phosphore (P) du greffon. Le phosphore est un élément nutritif essentiel pour la croissance des plantes, impliqué dans la composition de nombreux composants cellulaires, ainsi que dans le contrôle des voies métaboliques via son apport énergétique et la régulation de l’activité enzymatique. Malgré son importance, P un est des éléments minéraux les plus limitants pour la croissance des plantes en raison de sa faible disponibilité assimilable dans le sol. L’objectif de ce travail est de déterminer les mécanismes impliqués dans le contrôle de la nutrition en P de la Vigne, en comparant deux porte-greffes V. riparia cv. Riparia Gloire de Montpellier (RGM) et V. rupestris x V. berlandieri cv. 1103 Paulsen (1103P) connus pour conférer respectivement de faibles ou fortes concentrations en P à leur greffon. Les résultats montrent que 1103P est plus adapté à acquérir le P que RGM, en partie grâce à un système racinaire plus développé permettant une meilleure exploration du sol ainsi qu’une meilleure efficience d’acquisition du P disponible. Ce porte-greffe montre également meilleure utilisation de ses réserves en P dans les parties pérennes afin d’optimiser la croissance des parties aériennes. En revanche la capacité des génotypes à augmenter le P assimilable dans la rhizosphère ne semble pas être différente. Enfin l’effet du greffage et plus particulièrement du greffon a été étudié, révélant le rôle de V. vinifera sur le développement et le fonctionnement racinaire du porte-greffe. Ces résultats contribuent à la compréhension des mécanismes régulant l’alimentation minérale de la Vigne, mettant ainsi en évidence le rôle du fond génétique du porte-greffe sélectionné, ainsi que la régulation de ce dernier par son greffon.

Le sol héberge une grande diversité de communautés microbiennes qui interagissent entre elles et qui, dans la rhizosphère, interagissent aussi avec les racines des plantes. Les activités de certaines populations microbiennes peuvent être bénéfiques à la croissance des plantes. Ces microorganismes utiles peuvent constituer des associations symbiotiques comme c’est le cas entre les légumineuses et des bactéries fixatrices d’azote ou entre les champignons mycorhizogènes de l’ordre des Glomales et de nombreuses espèces végétales. D’autres microorganismes dits « libres » possèdent aussi la capacité de favoriser la croissance des plantes, en solubilisant des nutriments non ou peu disponibles dans le sol, mais aussi en libérant dans la rhizosphère des substances de croissance de type hormonal. Depuis une dizaine d’année l’industrie des « biostimulants » a mis sur le marché un grand nombre de produits à base de microorganismes bénéfiques, bactéries ou champignons, libres ou symbiotiques. Leur efficacité dépend de nombreux facteurs parmi lesquels, la culture, le type de sol, la qualité du produit et le mode d’application jouent un rôle prépondérant, A large diversity of microbial communities exists in soil. In the rhizosphere, these microbial populations interact among themselves, and with plant roots. Some microorganisms have the capacity to improve plant growth. Bacteria such as nitrogen-fixing Rhizobia and fungi belonging to the order Glomales form symbiotic associations with plant roots. In addition free living microorganisms such as Pseudomonas, Bacillus or Trichoderma are also able to promote plant growth through different mechanisms such as increasing the bioavailability of soil-borne nutrients, secreting hormones etc. The biostimulant Industry has created many diverse products containing growth promoter microorganisms, bacteria and fungi, free living or symbiotic that are now available on the market. Their efficacy depends on many factors especially on the crop, the soil type, the product quality and the mode of application

Ce numéro est constitué d’articles issus du colloque «De la connaissance de la biologie des sols et de ses fonctions, à son pilotage » organisé en partenariat avec l’Ademe et l’AFB, le 18 octobre 2018 à Dijon.; A large diversity of microbial communities exists in soil. In the rhizosphere, these microbial populationsinteract among themselves, and with plant roots. Some microorganisms have the capacity to improveplant growth. Bacteria such as nitrogen-fixing Rhizobia and fungi belonging to the order Glomales formsymbiotic associations with plant roots. In addition free living microorganisms such as Pseudomonas,Bacillus or Trichoderma are also able to promote plant growth through different mechanisms such asincreasing the bioavailability of soil-borne nutrients, secreting hormones etc. The biostimulant Industryhas created many diverse products containing growth promoter microorganisms, bacteria and fungi, freeliving or symbiotic that are now available on the market. Their efficacy depends on many factorsespecially on the crop, the soil type, the product quality and the mode of application; Le sol héberge une grande diversité de communautés microbiennes qui interagissent entre elles et qui,dans la rhizosphère, interagissent aussi avec les racines des plantes. Les activités de certainespopulations microbiennes peuvent être bénéfiques à la croissance des plantes. Ces microorganismesutiles peuvent constituer des associations symbiotiques comme c’est le cas entre les légumineuses etdes bactéries fixatrices d’azote ou entre les champignons mycorhizogènes de l’ordre des Glomales etde nombreuses espèces végétales. D’autres microorganismes dits « libres » possèdent aussi lacapacité de favoriser la croissance des plantes, en solubilisant des nutriments non ou peu disponiblesdans le sol, mais aussi en libérant dans la rhizosphère des substances de croissance de type hormonal.Depuis une dizaine d’année l’industrie des « biostimulants » a mis sur le marché un grand nombre deproduits à base de microorganismes bénéfiques, bactéries ou champignons, libres ou symbiotiques.Leur efficacité dépend de nombreux facteurs parmi lesquels, la culture, le type de sol, la qualité duproduit et le mode d’application jouent un rôle prépondérant

Dans un contexte de changements globaux, il est primordial de comprendre les cycles du Carbone (C) et de l’Azote (N) dans les agrosystèmes. Dans les écosystèmes prairiaux (puits de C et faible lixiviation), une synchronisation entre l’offre du sol et la demande de la plante en N semble exister. Cette synchronisation repose sur différents processus microbiens, tel que le « rhizosphere priming effect » (RPE), défini comme l’accélération de la minéralisation des matières organiques du sol (MOS) induite par la plante. L’influence de la disponibilité en CO2 (400 et 700 ppm) sous prairie d’une part, et en N (40 et 200 kg N/ha) à travers trois modes de gestion : (i) prairie, (ii) blé conventionnel, et (iii) blé sur couverture permanente de prairie d’autre part, a été étudiée. Un dispositif de marquage continu au 13CO2 a permis de distinguer la respiration du sol de celle des plantes dans les mésocosmes. L’augmentation de la disponibilité en CO2 de l’atmosphère a permis une hausse significative de la biomasse végétale totale, de l’appareil racinaire, donc de la demande en N et de l’offre du sol via l’augmentation du RPE. En outre, l’augmentation de la biomasse, en prairie et association blé-prairie sous fertilisation forte, a appauvri le sol en N et conduit à une hausse du RPE. Ces résultats préliminaires valident l’existence d’une synchronisation entre l’offre du sol et la demande de la plante en N. En revanche, le remaniement récent du sol prairial riche en N ne permet pas d’observer une influence nette du mode de gestion sur cette synchronisation. Cependant, l’association blé-prairie suggère une meilleure synchronisation sol-plante, notamment par la réduction significative du potentiel de lixiviation. Finalement, la poursuite du dispositif à plus long terme semble essentielle afin d’observer l’évolution de cette synchronisation au travers des divers modes de gestion., In the framework of global changes, it is crucial to better comprehend the carbon (C) and nitrogen (N) cycles involved in agrosystems. Within grassland ecosystems (C sink and low N lixiviation), there seems to be a synchronization between plant N-demand and soil N-offer. This synchronization relies on different microbial processes, such as the “rhizosphere priming effect” (RPE), which is defined as an enhancement of mineralization of soil organic matter (SOM) induced by plants. The influence of CO2 availability (400 and 700 ppm) in grassland on one hand, and N availability (40 et 200 kg N/ha) through three land-uses (i) grassland, (ii) wheat cropping, (iii) wheat on permanent grassland cover on the other hand, have been studied. A continuous 13CO2 labeling device permitted to distinguish soil respiration from plant respiration in the mesocosms. The rising CO2 availability enabled a significant increase of total plant biomass, root systems, N-demand and thereafter of soil offer via a stronger RPE. Besides, the increased plant biomass in grassland and mixed cropping, under a high N-fertilization, led to soil-N depletion and higher RPE. These preliminary results validate the existence of synchronization between plant N-demand and soil N-offer. However, the recent disturbance of the N-rich grassland soil, did not allow the clear observation of land-uses impact on this synchronization. Mixed cropping suggests better soil-plant synchronization, particularly thanks to the significant reduction of the lixiviation potential. Finally, a long-term follow-up appears essential in order to observe how this synchronization evolves, from one land-use to another.

La phytoremédiation, la technique de bioremédiation qui utilise les plantes, est considérée comme une technologie « verte » et efficace pour décontaminer des sols pollués aux hydrocarbures. Les plantes agissent essentiellement à travers la stimulation des microorganismes de la rhizosphère, où l’exsudation racinaire semble être le moteur majeur de l’activité microbienne qui s’y déroule. Beaucoup de gènes responsables de l’adaptation bactérienne, dans le sol contaminé ou dans la rhizosphère, semblent être portés par les plasmides conjugatifs et transférés entre les bactéries. Une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait améliorer le développement de techniques de manipulation du microbiome rhizosphérique afin d’accélérer la bioremédiation. Le but de cette recherche est d’étudier le plasmidome, soit le contenu total en plasmides, de la rhizosphère de saules provenant d’un sol contaminé aux hydrocarbures. Des analyses métagénomiques, de données obtenues à partir d’un séquençage Illumina, ont été utilisées pour étudier les fonctions portées par les plasmides. Nos résultats ont indiqué un fort effet de la contamination aux hydrocarbures sur la composition des plasmides. De plus, les plasmides contenaient des gènes impliqués dans de nombreuses voies métaboliques, telles que la biodégradation d’hydrocarbures, la production d’énergie, la transduction du signal, le chimiotactisme, et les métabolismes des sucres, acides aminés et métabolites secondaires. À ce jour, c’est la première étude de métagénomique comparative documentant la diversité des plasmides dans un contexte de phytoremédiation. Ces résultats fournissent de nouvelles connaissances sur le rôle du transfert latéral de gènes dans l’adaptation bactérienne dans la rhizosphère et dans le sol contaminé aux hydrocarbures., Phytoremediation, a bioremediation technique that uses plants, is considered to be an effective and affordable “green technology” to clean up hydrocarbon contaminated soils. Plants essentially act indirectly through the stimulation of rhizosphere microorganisms. Root exudation is thought to be one of the predominant drivers of microbial communities in the rhizosphere and is therefore a potential key factor behind enhanced hydrocarbon biodegradation. Many of the genes responsible for bacterial adaptation in contaminated soil and the plant rhizosphere are thought to be carried by conjugative plasmids and transferred among bacteria. A better understanding of these phenomena could thus inform the development of techniques to manipulate the rhizospheric microbiome in ways that improve hydrocarbon bioremediation. This research aims to study the plasmidome (the overall plasmid content) in the rhizosphere of willow growing in hydrocarbon contaminated and non-contaminated soils, as compared with unplanted soil. Metagenomic analyses based on Illumina sequencing were used to highlight functions carried by plasmids. Our results indicate a strong effect of hydrocarbon contamination on plasmid composition. Furthermore, plasmids harbored genes involved in several metabolic pathways, such as hydrocarbon biodegradation, energy production, signal transduction, chemotaxis, metabolisms of carbohydrates, amino acids and secondary metabolites. To date, this is the first comparative soil metagenomics documenting the plasmidome diversity in a phytoremediation system. The results provide new knowledge on the role of lateral gene transfer in the bacterial adaptation in rhizosphere and in hydrocarbon contaminated soil.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are major persistent pollutants in the environment that are recognized as highly toxic to living organisms. Numerous studies were carried out on the fate of PAHs in soil and in plant rhizosphere and highlighted the major contribution of biodegradation processes and of the sorption to soil constituents. However, a lack of knowledge remains about the fate of PAHs in the soil and especially their location in soil compartments as well as the nature and the behavior of degradation products. The main objectives of the thesis were: (a) to localize PAHs and their derived products within soil compartments (organic matter, minerals, microorganisms and plant), and (b) to quantify and identify the organic compounds forming bound residues. For this purpose, we used two approaches: (i) the monitoring of a labeled PAH, the 13C-phenanthrene (13C-PHE), in a spiked soil planted or not to determine by IRMS and NanoSIMS the 13C-distribution into compartments and to identify derived compounds of 13C-PHE by 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) the distribution and localization of aged and freshly spiked PAH contamination in a brownfield soil to study the impact of organic matter and minerals (using soil densimetric fractionation) in the PAH retention. More than 40% of C from 13C-PHE remained in the soil after 14 days of ryegrass growth. The 13C-enrichment in plant tissue was similarly to the soil enrichment (E13C ≈ 0.04 at.%) indicating uniform uptake of 13C-PHE between the soil and plant. NanoSIMS images acquired for roots confirmed this global enrichment in the plant. 13C-Hospots were also observed in the rhizosphere, and on the basis on their size, their shape and their elemental composition in C, N and S, they were identified as bacteria, which emphasize their contribution to the fate of PAHs in soil. In the industrial soil, most of the PAHs were found attached to the free OM. However, the freshly spiked PAHs in the soil were significantly associated with organo-mineral associations containing quartz, feldspars and phyllosilicates, Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants persistants retrouvés majoritairement dans l’environnement, qui sont reconnus comme hautement toxiques pour les organismes vivants. Les nombreux travaux réalisés sur les mécanismes contrôlant l’évolution des HAP dans le sol et dans la rhizosphère ont mis en exergue le rôle majeur de la biodégradation par les microorganismes et de la sorption aux constituants du sol. Néanmoins, un manque d’informations persiste concernant le devenir de ces HAP dans le sol, et plus particulièrement leur localisation dans les compartiments du sol ainsi que la nature et le comportement des composés issus de leur dégradation. La thèse avait donc comme principaux objectifs : (a) la localisation des HAP et des produits dérivés dans les compartiments du sol (matières organiques, phases minérales, microorganismes et plante), et (b) la quantification et l’identification des composés organiques formant les résidus liés du sol. Pour cela, nous avons couplé deux approches:(i) le suivi d’un HAP modèle marqué, le 13C-phénanthrène (13C-PHE), dans un sol artificiellement contaminé planté et non planté pour notamment déterminer par IRMS et NanoSIMS la distribution du C issu du PHE dans les compartiments et pour identifier les composés dérivés du 13C-PHE par 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) le suivi d’une contamination ancienne et récente en HAP dans un sol historiquement contaminé pour étudier l’influence des matières organiques et des phases minérales (séparées par un fractionnement densimétrique) dans la rétention des HAP. Plus de 40% du C issu du 13C-PHE est retenu dans le sol après 14 jours de croissance du ray-grass. L’enrichissement en 13C observé dans la plante est du même ordre que celui du sol (E13C ≈ 0.04 % at.) démontrant une incorporation homogène du 13C-PHE entre la plante et le sol. Cet enrichissement global dans la plante est confirmé par les images NanoSIMS réalisées sur les racines. Des hotspots en 13C ont également été observés dans la rhizosphère, et à partir de leur taille, leur forme et leur composition élémentaire en C, N et S ils ont été identifiés comme étant des bactéries, ce qui met en avant leur rôle dans la dynamique des HAP du sol. Dans le sol industriel, la majorité des HAP est retrouvée dans les MO non complexées aux minéraux. En revanche, les HAP fraîchement ajoutés se sont significativement liés aux associations organo-minérales composées de quartz, de feldspaths et de phyllosilicates

La présence de racines vivantes des plantes peut fortement accélérer le taux de décomposition des matières organiques du sol. Ce phénomène, appelé Rhizosphere Priming Effect (RPE), est contrôlé par la libération d’exsudats par les racines, dont la qualité et la quantité sont très variables selon les espèces végétales. L’influence des traits fonctionnels sur le RPE reste méconnue. Dans cette étude, nous avons étudié l’effet sur le RPE de douze espèces de plantes de prairie tempérée, à stratégies écologiques (exploitative et conservative) et de groupes fonctionnels contrastés (graminées, légumineuses et autres dicotylédones). Les plantes ont été cultivées pendant 221 jours sous atmosphère appauvrie en 13C afin d’obtenir un marquage des plantes permettant de séparer la respiration végétale de la minéralisation des matières organiques du sol. L’effet de l’identité des espèces sur le RPE est évalué par l’intermédiaire de leurs traits fonctionnels foliaires et racinaires en lien avec les stratégies d’exploitation et de conservation des ressources. Nos résultats confirment que le facteur espèce contrôle le RPE. Les plantes dites exploitatives i.e. à stratégie d’exploitation des ressources, présentant des valeurs élevées à la fois du taux de respiration, de surface spécifique foliaire, de longueur spécifique racinaire et de teneur foliaire en azote, et a contrario des valeurs faibles de teneur foliaire en matière sèche et de ratio foliaire en carbone azote, induisent un RPE élevé. Et inversement pour les espèces à stratégie de conservation. Les dicotylédones induisent un RPE significativement supérieur aux autres groupes fonctionnels en valeur cumulée. Au printemps, les légumineuses caractérisées par une longueur spécifique racinaire plus élevée que les autres espèces, induisent un RPE plus important que les dicotylédones., The presence of living plant roots can strongly accelerate the decomposition rate of soil organic matter up to 380%. This phenomenon, called Rhizosphere Priming Effect (RPE), is controlled by the release of root exudates, of which the quality and the quantity depend on species. The influence of functional traits on RPE is still largely unknown. This study examines the effect of twelve species of temperate prairie plants with ecological strategies and contrasting functional groups (grasses, legumes and forbs) on the RPE. The plants were grown for 221 days in a 13C-depleted atmosphere in order to obtain plant labeling to separate plant respiration from mineralization of organic matter in the soil. The effect of species identity on RPE is assessed through their foliar and root traits in relation to resource strategies (exploitation or conservation). Our results confirm that species identities control RPE. Plants species from the resource-acquisitive part of the traits spectrum, with high values of respiration rate, specific leaf area, specific root length, and leaf nitrogen content and a contrario low values of foliar dry matter content and foliar nitrogen carbon ratio, induce a high RPE. And vice versa for species with conservation strategy. Forbs induce significantly higher RPE than the other functional groups in cumulative value. In the spring, legumes with a higher root-specific length than other species induce a greater RPE than forbs.

Legume roots release substantial amounts of nitrogen (N) into the soil. They can help to reduce the use of synthetic N fertilisers in cropping systems. A part of this N derives from root exudates, mainly in amino acids (AAs) forms, that are highly suspected to regulate the abundance of microbial community in the rhizosphere. This may impact plant nutrition and resistance to abiotic stress. However, exudated AAs have not been unequivocally quantified, due to interaction with rhizosphere microorganisms and mineral particles. We hypothesized that root AA exudation could change significantly according to the substrate type, the plant growth and water availability. In the present work, we have developed a methodology using unsterilized soil in order to measure the rhizosphere AA fingerprint (RAAF), as the net result of interactions between AA exudation and rhizospheric environment. The RAAF was measured in Medicago truncatula grown in either sterilized sand or unsterilized soil, at three vegetative plant stages; and in Pisum sativum grown in unsterilized soil, under either a water deficit or a water excess. P. sativum plants were stem-labeled with 15N, in order to assess root 15N-AA released in the rhizosphere. The RAAF increased substantially during plant growth, showing a significant quantitative and qualitative plant growth dependent effect. Water deficit significantly modified RAAF with more recently assimilated N, proline, alanine and valine released in the rhizosphere under water deficit. This work contributed to highlight factors affecting RAAF and to better understand ecophysiological aspects of N rhizodeposition of legumes.; Les légumineuses ont des rhizodépôts riches en azote (N). Leur emploi dans les rotations de cultures permet de réduire l’usage de fertilisants de synthèse. Parmi les composés azotés exsudés par les racines, les acides aminés (AA) sont reconnus pour leur rôle dans la régulation des communautés microbiennes de la rhizosphère, avec un impact sur la nutrition des plantes et leur résistance aux stress abiotiques. Cette exsudation est difficile à mesurer en raison des interactions avec les microorganismes et les particules minérales du sol. Nous avons fait l’hypothèse que l’exsudation racinaire d’AA varie en fonction du substrat, de la croissance et de l’humidité sol. Une méthode d’extraction des AA du sol a été mise au point pour estimer l’empreinte rhizosphérique en acides aminés (ERAA) dans le sol non stérilisé, comme résultat net des interactions entre l’exsudation d’AA et le milieu rhizosphérique. L’évolution de l’ERAA a ainsi été étudiée chez Medicago truncatula cultivée sur sable stérilisé ou sol non stérilisé, à 3 stades de croissance végétative, et chez Pisum sativum soumis ou non à un déficit hydrique ou un excès d’eau. Le marquage au 15N a été utilisé pour appréhender le mouvement des 15N-AA libérés par les racines vers la rhizosphère. L’ERAA augmente au cours de la croissance végétative et est dépendante en quantité et en qualité, du stade de la plante. Le déficit hydrique modifie l’ERAA avec la présence de plus de N récemment assimilé par la plante, plus de proline, d’alanine et de valine. En tenant compte des limites expérimentales, ces travaux ont permis de mieux comprendre les facteurs qui influencent l’ERAA et d’appréhender la rhizodéposition azotée des légumineuses.

This study is a part of the deep disposal site development for radioactive waste in Meuse-Haute Marne (France), most specifically on the bio-physico-chemical conversion of sedimentary clay rocks (Callovo-Oxfordian, COx), excavated and stored on surface in the form of heap. During the experimental and operational phases, several million cubic meters of argillite will be excavated. Argillite stored in the open air will be exposed to meteoritic alterations, oxidizing conditions of surface and colonized biologically (plants, bacteria, fungi). The aim of the thesis is to study the impact of naturally derived antioxidants from revegetation of heap with antioxidant-producing plants on the physical, chemical or microbial weathering processes of argillite. This work was designed to (i) identify suitable naturally derived antioxidants and the plants to produce them (ii) assess the antioxidant inhibitory effects on weathering and leaching COx metals in the laboratory, (iv) field test selected plants on the heap, (iii) follow in situ physicochemical and microbiological evolution of the argillite heap planted with antioxidant producing plants. In the laboratory, percolating model antioxidants of Lamiaceae (linalool, thymol, carvacrol) through a packed column of argillite showed variable water weathering/leaching rate depending on the metal elements present; very low for aluminum (, Cette étude s’inscrit dans le contexte du stockage profond de déchets radioactifs sur le site de Meuse-Haute Marne (Andra) et plus précisément de l’évolution bio-physico-chimique de roches sédimentaires argileuses (Callovo-Oxfordien, COx), excavées et stockées en surface sous forme de verses. Durant la phase préparatoire et la phase d’exploitation, plusieurs millions de mètres cubes d’argilites seront excavées. L’argilite stockée à l’air libre sera ainsi exposée durant plusieurs décennies aux altérations météoritiques et aux conditions oxydantes de surface et à la colonisation biologique (plantes, bactéries, champignons). L’objectif de la thèse était d’étudier l’impact de molécules antioxydantes et de la végétalisation des verses par des plantes produisant ces molécules, sur les processus d’altération physiques, chimiques ou microbiens de l’argilite du COx. Ce travail visait à (i) identifier des molécules antioxydantes et des plantes d’intérêt (ii) évaluer les effets inhibiteurs des substances antioxydantes sur l’altération des minéraux et la lixiviation des métaux du COx au laboratoire, (iv) tester la cultivabilité des plantes sélectionnées sur les verses, (iii) suivre in situ l’évolution physico-chimique et microbiologique de l’argilite d’une verse plantée ou non. Des expériences de percolation en colonnes avec des molécules antioxydantes « modèles » des Lamiacées (linalol, thymol, carvacrol) ont montré des taux d’altération/lixiviation très variables en fonction de l’élément. Ils étaient très faibles pour l’aluminium (

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants largement répandus dans l’environnement en particulier dans les sols. La gestion des sols industriels contaminés par ces molécules est à la fois un enjeu environnemental, sanitaire et scientifique. Des modes de gestion basés sur la nature, comme la phytoremédiation, généralement plus économiques et respectueux de l’environnement, sont à privilégier. Toutefois la phytoremédiation des HAP des sols industriels pour lesquels la rhizodégradation est souhaitée, s’avère souvent limitée par la disponibilité de ces polluants, héritage du vieillissement de la contamination et de sa forte interaction avec les matières organiques d’origine fossiles majoritairement présentes dans ces sols particuliers. L’autre enjeu majeur auquel il convient de faire face est la culture d’espèces végétales d’intérêt, rendue délicate par la faible fertilité de ces sols d’une part et la toxicité des HAP pour les plantes d’autre part. Une meilleure compréhension des mécanismes d’action des HAP sur la plante permet d’envisager des modes de gestion permettant de pallier les effets délétères observés. Il s’agit alors de faire évoluer le concept du traitement de phytoremédiation du paradigme de rhizodégradation, ou dégradation assistée par les plantes, vers celui rhizoatténuation, diminution de la disponibilité et donc du risque., Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutant widely dispersed in the environment but they accumulate more specifically in soils. Management of these contaminated soils is an environmental and sanitary concern as well as a scientific challenge. Nature-based solutions, such as phytoremediation, are to be privileged being cheaper more environmental friendly. However, rhizodegradation is limited by PAH low bioavailability. Indeed in these old contaminated soils, the pollutants have aged and are strongly sorbed to the anthropic organic matter. Plant growth may also prove difficult due to limited soil fertility combined to phytotoxicty of the pollutants. These difficulties may be overcome with a better knowledge of the mechanisms involved in plant-PAH interaction. In that respect, soil treatment goals should rather move from rhizodegradation to rhizoattenuation, aiming at limiting PAH availability, and thus reduce risk.

Diminuer les engrais minéraux et produit phytosanitaires issus de la pétrochimie, devient essentiel pour la sécurité alimentaire et l'impact environnemental de la production agricole. Ceci implique de nouvelles orientations pour la sélection des légumineuses, en particulier dans les systèmes culturaux de production de grains. La faible disponibilité du phophore dans près de 40% des terres cultivables de la planète limite le rendement des légumineuses, d'autant plus quand leur croissance dépend de la fixation symbiotique de N2 (FSN). En conséquence notre objectif est d'accroître l'efficacité d'utilisation du phosphore (EUP) pour la FSN, et sa contribution au couplage des cycles biogéochimiques de N et P par un cercle vertueux de fertilité qui serait associé à l'usage de symbioses à forte EUP pour la FSN. Cette hypothèse est étudiée dans le cadre de la stratégie de recherche interdisciplinaire du grand projet fédérateur FABATROPIMED d'Agropolis-Montpellier, dont l'objectif global est d'accroître les bénéfices écosystémiques des légumineuses pour les systèmes céréaliers, par une ingénièrie des interactions entre les micro-organismes des sols et les légumineuses pour acquérir et utiliser plus efficacement l'azote et le phosphore. Les activités in campo de cette stratégie seront présentées selon une approche participative avec des génotypes de légumineuses contrastant en EUP pour la FSN dans des agroécosystèmes représentant diverses situations agroclimatiques et socioécologiques en zones méditerranéennes ou tropicales

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2017-03-09; Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere; Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere, Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère

National audience; L’absorption des éléments traces métalliques présents dans le sol et le contrôle de leur devenir dans les tissus et les cellules sont des processus clés de la physiologie des plantes. Des stratégies sont ainsi mises en oeuvre pour contrôler l’homéostasie minérale, limiter les carences et maintenir les éléments essentiels et contaminants en deçà de leurs seuils de toxicité. Comprendre ces processus fondamentaux constitue un enjeu majeur pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement.

Plants are constantly interacting with a huge diversity of microorganisms, especially in the rhizosphere, where plant roots (through rhizodeposition) will select particular bacterial populations. Some bacteria, called PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), are able, in turn, to improve plant growth and health, through the expression of a wide range of plantbeneficial properties. The current hypothesis is that PGPR harboring a maximum number of these plant-beneficial properties would provide a better effect on plant. However, the occurrence of these multi-trait PGPR in the rhizosphere is unknown. In addition, the interaction between co-occurring plant-beneficial properties within the same PGPR and their resulting effects on plant are poorly documented. In this context, the aims of this thesis were to (i) determine the distribution of plant-beneficial properties in the fluorescent Pseudomonas bacterial group, known to harbor a wide range of these properties, and (ii) to evaluate in the PGPR model strain Pseudomonas fluorescens F113, if a crosstalk between plant-beneficial properties occurs and to determine the relative contribution of each co-occurring plantbeneficial properties. The study of 700 Pseudomonas isolates from the rhizosphere of two maize cultivars and from non-rhizosphere soils shows that cultivars mostly select fluorescent Pseudomonas (i) displaying few plant-beneficial properties (up to 5 properties) and (ii) belonging to particular taxonomic subgroups. Furthermore, the comparative genomic study we conducted within the fluorescent Pseudomonas group emphasizes the link between phylogeny and plant-beneficial profiles owned by Pseudomonas. Finally, in P. fluorescens F113, co-occurring plant-beneficial properties do not contribute equally to the observed effects on plant. The existence of crosstalks between these co-occurring plant-beneficial properties was also highlighted. This network of functional interactions may lead to specific effects on plant. These results are important for understanding the place and role of multi-trait PGPR in the rhizosphere. They help to deepen our understanding of the ecological functioning of fluorescent Pseudomonas among the rhizomicrobiote, Les plantes interagissent en permanence avec une grande diversité de microorganismes qu'elles sélectionnent entre autre au niveau de leurs racines. Certaines bactéries, qualifiées de PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), sont capables de stimuler la croissance et la santé de la plante, grâce à l'expression d'une large panoplie de propriétés phytobénéfiques. L'hypothèse actuelle serait que les PGPR possédant un nombre maximal de ces fonctions auraient un plus fort impact bénéfique sur le végétal. Toutefois, l'occurrence de ces PGPR multifonctions dans la rhizosphère n'est pas connue. De plus, les possibles interactions entre propriétés co-occurrentes au sein d'une même PGPR et la résultante de ces interactions sur la plante sont relativement peu documentées. Dans ce contexte, ce projet de thèse a eu comme objectif général de mieux comprendre la distribution des propriétés phytobénéfiques chez un groupe bactérien possédant un large éventail de ses propriétés, celui des Pseudomonas fluorescents et d'évaluer chez une PGPR modèle multifonction, Pseudomonas fluorescens F113, si des interactions fonctionnelles existent entre ces propriétés et déterminer leurs contributions respectives à l'effet phytostimulateur. L'étude d'environ 700 isolats de Pseudomonas provenant de la rhizosphère de deux cultivars de maïs et de sol nonrhizosphérique, a mis en évidence que ces cultivars sélectionnent majoritairement des Pseudomonas fluorescents (i) arborant un nombre réduit de propriétés phytobénéfiques (1 à 5 propriétés) et (ii) appartenant à des sous-groupes taxonomiques particuliers. Par ailleurs, l'étude de génomique comparative que nous avons menée au sein du groupe des Pseudomonas fluorescents souligne le lien entre phylogénie et les profils de propriétés phytobénéfiques possédées par les Pseudomonas. Enfin, chez P. fluorescens F113, les propriétés co-occurrentes ne contribuent pas de façon égale à l'effet observé sur la plante. L existence d'interactions entre ces propriétés co-occurrentes a également été mise en évidence. De ce réseau d'interactions, résultera un effet bénéfique observé sur la plante particulier. Ces résultats sont importants pour mieux comprendre la place et le rôle de ces PGPR multifonctions dans la rhizosphère. Ils permettent d'approfondir nos connaissances à propos du fonctionnement écologique des Pseudomonas fluorescents au sein du rhizomicrobiote

La rhizosphère, en tant qu’environnement microbien et physico-chimique spécifique influencé par les racines, est le lieu privilégié des interactions sol-microorganismes- plante. Ces interactions sont fondamentales pour la diversité et la productivité des agrosystèmes, entre autres dans les processus de minéralisation. Hot-spot d’activité biologique, la rhizosphère est aussi un milieu où, en interaction avec la biologie, les propriétés physico-chimiques se différencient : l’agrégation, la densité, la porosité et les transferts d’eau et de nutriments seraient modifiés par rapport au sol « moyen ». Réciproquement, ces conditions physico-biologiques spécifiques de la rhizosphère pourraient induire des comportements particuliers (résistance ? résilience ?) des microorganismes et des plantes vis-à-vis de stress environnementaux, notamment les sécheresses. En particulier, la production de mucilages/exopolysaccharides (EPS) par les racines et les microorganismes pourrait avoir un rôle important dans ces interactions-rétroactions biologie-propriétés hydriques. Nous avons testé ces hypothèses appliquées au compartiment microbien dans le cadre d’une expérimentation en champs (culture de maïs, ANR Azodure). Au cours de deux campagnes de prélèvements (printemps et été) nous avons prélevé du sol rhizosphérique et du sol moyen correspondant et caractérisé ces échantillons d’un point de vue physicochimie (rétention en eau, EPS) et microbiologique (biomasse active, structure catabolique, stabilité de la respiration microbienne après une perturbation de sécheresse et température élevée). Nous avons constaté que les sols rhizosphériques présentaient des biomasses microbiennes, une stabilité face au stress hydrique et thermique, des quantités d’EPS et des valeurs de rétention en eau plus élevées que les sols moyens. De plus, nous avons mis en évidence des corrélations entre rétention en eau et quantités d’EPS dans les sols, confirmant le rôle des EPS dans les propriétés hydriques des sols. Ces résultats sont plus prononcés en été qu’au printemps. Ces résultats obtenus in situ, suggèrent que la spécificité physico-chimique de l’environnement rhizosphérique (liée en partie à la présence des EPS) pourrait favoriser la stabilité des communautés microbiennes y vivant vis-à-vis des stress de type sécheresse et canicule. Mieux connaître ces interactions au sein de la rhizosphère entre propriétés hydriques locales, modifiées, du sol et comportements microbiens vis-à-vis des stress hydriques, nous permettra de mieux appréhender la réponse de la plante et de la microflore du sol, dans un contexte agronomique de changement climatique avec des périodes de déficit hydrique plus intenses et plus fréquentes.

National audience; Phosphorous (P) availability is a major concern in European agriculture where reserves are limited. In the case of pea (Pisum sativum L.), one of the most important legumes in the human diet, P has specific effects on nodulation and N-2 fixation. Therefore, when biofertilization schemes are considered for pea cropping, it is very important to include symbiotic dinitrogen-fixing bacteria as well as phosphate-solubilizing bacteria (PSB). In this study sixteen PSB were isolated from the rhizosphere of two pea cultivars in two French soils with different characteristics. They were phenotypically and genotypically diverse displaying 9 different Two Primers-Random Amplified Polymorphic DNA (TP-RAPD) patterns. The 16S rRNA gene analysis of representative strains showed that they belong to four highly divergent phylogenetic groups. Most of the PSB strains belonged to the genus Pseudomonas and were closely related to Pseudomonas baetica, P. lutea, P. azotoformans, P. jessenii and P. frederiksbergensis. Other strains from the genus Burkholderia were closely related to B. caledonica and those from the genus Rhizobium to R. grahamii. The single strain of genus Bacillus was close to Bacillus toyonensis. Some phylogenetic groups to which our PSB strains belong are widely distributed in plant rhizospheres in different countries and continents. This is particularly interesting in the case of strains from the phylogenetic group of P. fluorescens which includes PSB strains with high ability to solubilize phosphate indicating that they may be used as biofertilizers in many soils.

National audience

Les ions orthophosphates (Pi) représentent les seules formes de phosphore (P) utilisable par les cultures. Dans les sols, ils sont généralement présents à de faibles concentrations dans la solution, en raison des nombreux processus géochimiques contraignant leur mobilité et disponibilité. Les plantes et les micro-organismes associés, au travers de relations rhizosphériques, symbiotiques et par la prédation des populations microbiennes, modifient considérablement la quantité de P que la plante est capable d’acquérir tout au long de sa croissance (biodisponibilité). Cette revue décrit les différents processus (modifications des racines, rôle du pH, des anions organiques, des enzymes, de la microfaune et de la macrofaune) qui peuvent modifier la biodisponibilité du P dans la rhizosphère. Des pistes pour mieux valoriser le potentiel intrinsèque des végétaux et de l’écologie des organismes du sol et optimiser l’acquisition de P des cultures à partir du sol sont proposées., Orthophosphate ions (Pi) are the only forms of phosphorus (P) available to plants. In soils, they are generally present at low concentrations because of a number of geochemical processes that restrict their solubility and mobility. Plants, due to their own properties and those of their associated microorganisms via rhizosphere or symbiotic relationships, as well as soil fauna, are able to change the amount of P taken up by roots, defined as P bioavailability. This review describes the different processes (root changes, role of pH, organic anions, enzymes, microfauna and macrofauna) that affect P bioavailability in the rhizosphere. It also discusses how plant properties and soil ecology could be better used to optimize plant P acquisition from the soil.

L’ingénierie agroécologique vise à produire des savoirs actionnables, pour concevoir des systèmes de cultures économiquement et écologiquement performants, par la valorisation de régulations naturelles. Notre problématique est centrée sur la santé des cultures, et plus particulièrement sur la bactérie phytopathogène Ralstonia solanacearum, agent du flétrissement bactérien alors qu’une souche extrêmement agressive menace la production de tomates en plein champ en Martinique. La nécessité d’explorer et de développer des alternatives aux méthodes conventionnelles de protection des plantes (variétés résistantes, pesticides), actuellement inefficaces, invite à la mise en oeuvre d’une démarche de conception innovante. Nos travaux montrent que la mobilisation d’une barrière rhizosphérique est une stratégie de régulation biologique alternative. Différents processus y contribuent, telle que la mycorhization, symbiose entre racines et champignons mycorhiziens à arbuscules, présents dans la plupart des sols. Nous montrons que la mobilisation de réseaux de mycorhizes indigènes à partir d’un sol agricole permet une mycorhization précoce de la tomate. De plus, l’association de plantes aux propriétés mycorhizotrophes et assainissantes en conditions contrôlées montre des effets bioprotecteurs partiels et ouvre de nouvelles perspectives de combinaisons entre processus. Ces combinaisons sont mobilisables par des leviers d’actions multi-scalaires. Nous avons produit une grille d’analyse générique de ces leviers d’action pour la conception, par des trajectoires d’innovation multidirectionnelles, de « systèmes de culture bioprotégés ». Dans le contexte agricole martiniquais, une démarche d’apprentissage permet en effet l’émergence d’une dynamique de co-conception de systèmes de cultures recourant aux plantes mycorhizotrophes. Nos travaux proposent des outils pour une exploration collective de nouvelles stratégies de gestion durable de la santé des cultures., Agroecological engineering aims to produce actionable knowledge to design economically and environmentally efficient cropping systems, based on the exploitation of natural regulation mechanisms. Our issue is centered on crop health, especially on the plant pathogenic bacterium Ralstonia solanacearum (bacterial wilt agent), of which an extremely aggressive strain threatens field tomato production in Martinique. The need to explore and develop alternatives to conventional methods of plant protection (resistant varieties, pesticides), ineffective in our case, calls for the implementation of an innovative design approach. Our work shows that the protection of the roots via the formation of a selfsustaining rhizospheric barrier may be an alternative biological control strategy. Different processes contribute, such as mycorrhizal symbiosis between roots and arbuscular mycorrhizal fungi, which are present in most soils. We show that the mobilization of indigenous mycorrhizal networks from an agricultural soil allows early mycorrhization of tomatoes. In addition, the association of plants with mycorrhizal and sanitizing properties in controlled conditions showed partial bioprotective effects and opens up new prospects for combinations between processes. These combinations may be exploited in various ways. We produced a generic analysis grid of key levers to design "healthy cropping systems " through multi-directional innovation trajectories. In Martinique's agricultural context, a learning process allows the emergence of a dynamic co-design of cropping systems using mycorrhizal plants. Our work thus provides tools for collective exploration of new sustainable management strategies for crop health.

Human activities lead to diffuse pollution causing damages to the ecosystem. To avoid major disturbances such as biodiversity loss or contamination of trophic chains by pollutants it is necessary to restore these ecosystems. The classical techniques used in depollution are expensive, reduce soil fertility and have a negative effect on ecosystem functionality. In contrast, the use of plants to clean up soils called phytoremediation seems to be a more effective solution. However, it needs to be improved because many biological mechanisms remain unexplained. The originality of our work is to study the functionality of the rhizosphere of maize (Zea mays) exposed to organochlorine pesticides (OCPs), lindane and chlordecone, banned in 1998 and 1993 respectively and persistent in the environment. This study will be conducted in the presence or absence of microorganisms to clarify the relationships between microorganisms and plant matrices. In this study, the mechanisms involved in the phytotoxicity of OCPs in root cells were analyzed. The cytotoxicity was dose-dependent and showed effects on the cell cycle (induction of endoreduplication and level of ploidy) and on cell death (induction of ROS, cytosolic Ca2+, caspase-3-like, apoptosis) under higher doses of exposure (particular case of former industrial sites). Lower exposures usually detected in the environment showed great disturbances in the root metabolome. These changes in sugars, organic acids, amino acids and lipids syntheses could be induced by oxidative stress provided by OCPs. Moreover, metabolome changes might cause modifications in root exudate composition which is involved in plant-microbe relationships. Ours results demonstrate that the overall rhizosphere functionality (resource allocation, carbon and nitrogen contents and microorganism's catabolism) was not disturbed by OCPs long-term exposure. Finally, we demonstrated rhizosphere positive impact on uptake of OCPs by Zea mays. Lindane seems to be partially mineralized by rhizospheric microorganisms. Then, these produced metabolites were uptaken by roots where they were bioconcentrated. These findings highlighted the rhizosphere adaptation to chemical pressure by OCPs and showed the good rhizosphere functionality despite of the OCPs contamination.; L'activité humaine est responsable de pollutions diffuses des sols entrainant des dommages sur l'écosystème. Afin d'éviter des déséquilibres importants comme la diminution de la biodiversité ou bien la contamination des chaînes trophiques par des polluants, il est nécessaire de restaurer les écosystèmes. Les différentes techniques utilisées à l'heure actuelle sont couteuses, diminuent la fertilité du sol et ont un effet négatif sur la fonctionnalité des écosystèmes. A contrario, la phytoremédiation ou dépollution grâce aux plantes, apparaît comme une solution digne d'intérêt. Néanmoins, elle nécessite d'être améliorée puisque de nombreux mécanismes restent inexpliqués. L'originalité de notre travail est d'étudier la fonctionnalité de la rhizosphère du maïs (Zea mays) exposée à des pesticides organochlorés (OCPs), le lindane et la chlordécone, interdits respectivement en 1998 et 1993 et persistants dans l'environnement. Cette étude a été réalisée en présence ou absence de microorganismes afin de préciser les mécanismes mis en jeux par les microorganismes et les matrices végétales. Ce travail a mis en évidence les mécanismes impliqués dans la phytotoxicité des deux organochlorés sur les cellules racinaires. Les réponses cellulaires sont dose-dépendantes et montrent un effet des OCPs sur le cycle cellulaire (induction de l'endoréplication et de la ploïdie) et la mort cellulaire (induction de ROS, du calcium cytosolique, des caspase-3-like, de l'apoptose) lors d'expositions extrêmes (correspondant à des cas particuliers comme les friches industrielles). A de plus faibles expositions ayant une réalité environnementale, les racines exposées montrent une perturbation importante de leur métabolome primaire. Ces modifications mesurées sur la production des sucres, des acides organiques, des acides aminées et des lipides peuvent être induites par le stress oxydant produit par les OCPs. Par ailleurs, de tels changements dans le métabolome peuvent provoquer une modification de la composition des exsudats racinaires, jouant sur la relation plante/microorganismes de la rhizosphère. Nos résultats montrent que la fonctionnalité globale de la rhizosphère (allocation des ressources en carbone et azote, catabolisme des microorganismes) n'est pas modifiée sur le long terme en présence des OCPs. Enfin, nous avons démontré l'implication de la rhizosphère (rétention/métabolisation des OCPs) sur l'absorption des OCPs par Zea mays. Le lindane semble être en partie minéralisé par la microflore rhizosphèrique puis les métabolites libérés sont absorbés par les racines, où ils sont majoritairement bioconcentrés. Ces connaissances fondamentales mettent en évidence l'adaptation de la rhizosphère à la pression chimique des OCPs et montrent que la rhizosphère reste fonctionnelle en présence de matrices contaminées par les OCPs.

Human activities lead to diffuse pollution causing damages to the ecosystem. To avoid major disturbances such as biodiversity loss or contamination of trophic chains by pollutants it is necessary to restore these ecosystems. The classical techniques used in depollution are expensive, reduce soil fertility and have a negative effect on ecosystem functionality. In contrast, the use of plants to clean up soils called phytoremediation seems to be a more effective solution. However, it needs to be improved because many biological mechanisms remain unexplained. The originality of our work is to study the functionality of the rhizosphere of maize (Zea mays) exposed to organochlorine pesticides (OCPs), lindane and chlordecone, banned in 1998 and 1993 respectively and persistent in the environment. This study will be conducted in the presence or absence of microorganisms to clarify the relationships between microorganisms and plant matrices. In this study, the mechanisms involved in the phytotoxicity of OCPs in root cells were analyzed. The cytotoxicity was dose-dependent and showed effects on the cell cycle (induction of endoreduplication and level of ploidy) and on cell death (induction of ROS, cytosolic Ca2+, caspase-3-like, apoptosis) under higher doses of exposure (particular case of former industrial sites). Lower exposures usually detected in the environment showed great disturbances in the root metabolome. These changes in sugars, organic acids, amino acids and lipids syntheses could be induced by oxidative stress provided by OCPs. Moreover, metabolome changes might cause modifications in root exudate composition which is involved in plant-microbe relationships. Ours results demonstrate that the overall rhizosphere functionality (resource allocation, carbon and nitrogen contents and microorganism's catabolism) was not disturbed by OCPs long-term exposure. Finally, we demonstrated rhizosphere positive impact on uptake of OCPs by Zea mays. Lindane seems to be partially mineralized by rhizospheric microorganisms. Then, these produced metabolites were uptaken by roots where they were bioconcentrated. These findings highlighted the rhizosphere adaptation to chemical pressure by OCPs and showed the good rhizosphere functionality despite of the OCPs contamination., L'activité humaine est responsable de pollutions diffuses des sols entrainant des dommages sur l'écosystème. Afin d'éviter des déséquilibres importants comme la diminution de la biodiversité ou bien la contamination des chaînes trophiques par des polluants, il est nécessaire de restaurer les écosystèmes. Les différentes techniques utilisées à l'heure actuelle sont couteuses, diminuent la fertilité du sol et ont un effet négatif sur la fonctionnalité des écosystèmes. A contrario, la phytoremédiation ou dépollution grâce aux plantes, apparaît comme une solution digne d'intérêt. Néanmoins, elle nécessite d'être améliorée puisque de nombreux mécanismes restent inexpliqués. L'originalité de notre travail est d'étudier la fonctionnalité de la rhizosphère du maïs (Zea mays) exposée à des pesticides organochlorés (OCPs), le lindane et la chlordécone, interdits respectivement en 1998 et 1993 et persistants dans l'environnement. Cette étude a été réalisée en présence ou absence de microorganismes afin de préciser les mécanismes mis en jeux par les microorganismes et les matrices végétales. Ce travail a mis en évidence les mécanismes impliqués dans la phytotoxicité des deux organochlorés sur les cellules racinaires. Les réponses cellulaires sont dose-dépendantes et montrent un effet des OCPs sur le cycle cellulaire (induction de l'endoréplication et de la ploïdie) et la mort cellulaire (induction de ROS, du calcium cytosolique, des caspase-3-like, de l'apoptose) lors d'expositions extrêmes (correspondant à des cas particuliers comme les friches industrielles). A de plus faibles expositions ayant une réalité environnementale, les racines exposées montrent une perturbation importante de leur métabolome primaire. Ces modifications mesurées sur la production des sucres, des acides organiques, des acides aminées et des lipides peuvent être induites par le stress oxydant produit par les OCPs. Par ailleurs, de tels changements dans le métabolome peuvent provoquer une modification de la composition des exsudats racinaires, jouant sur la relation plante/microorganismes de la rhizosphère. Nos résultats montrent que la fonctionnalité globale de la rhizosphère (allocation des ressources en carbone et azote, catabolisme des microorganismes) n'est pas modifiée sur le long terme en présence des OCPs. Enfin, nous avons démontré l'implication de la rhizosphère (rétention/métabolisation des OCPs) sur l'absorption des OCPs par Zea mays. Le lindane semble être en partie minéralisé par la microflore rhizosphèrique puis les métabolites libérés sont absorbés par les racines, où ils sont majoritairement bioconcentrés. Ces connaissances fondamentales mettent en évidence l'adaptation de la rhizosphère à la pression chimique des OCPs et montrent que la rhizosphère reste fonctionnelle en présence de matrices contaminées par les OCPs.