Synergistic interaction earthworm-microbiota : a role in the tolerance and detoxification of pesticides?

par Fatina Jouni

Thèse de doctorat en Sciences Agronomiques

Sous la direction de Magali Rault-Léonardon et de Michel Jobin.

Le président du jury était Camille Dumat.

Le jury était composé de Magali Rault-Léonardon, Camille Dumat, Claudia Wiegand, Franck Vandenbulcke, Eric Peyretaillade, Yvan Capowiez.

Les rapporteurs étaient Claudia Wiegand, Franck Vandenbulcke.

  • Titre traduit

    Rôle de la synergie microbiote intestinal-vers de terre sur la contamination des sols


  • Résumé

    Les pesticides utilisés pour protéger les plantes des insectes nuisibles constituent une menace pour les organismes non cibles tels que les vers de terre. En raison de leur activité de bioturbation de sol, les vers de terre sont en contact direct avec les particules et les micro-organismes du sol, ainsi qu'avec les polluants, notamment les pesticides. L‘objectif de ce travail est d‘étudier (1) l‘effet d‘un organophosphoré (OP) «éthyl-parathion» sur la sensibilité de deux espèces de vers de terre endogés, Aporrectodea caliginosa et Allolobophora chlorotica; et (2) le rôle du microbiote intestinal, en synergie avec les voies de détoxification du ver de terre, dans la tolérance ou la détoxification des pesticides. Dans la première partie, les réponses biochimiques et comportementales ont montré que A. caliginosa est plus sensible à l'exposition à «l‘éthyl-parathion» que A. Chlorotica. Les résultats portent sur l‘analyse de biomarqueurs physiologiques (poids), biochimiques (AChE, CbEs, GST) et comportementaux (production de turricules et activité de creusement). Nous avons montré que la sensibilité de A. caliginosa semble liée à la sensibilité intrinsèque de l‘AChE à «l‘éthyl-parathion». De plus, le rôle des carboxylestérases, capables de piéger les insecticides OP, ainsi que le rôle de détoxification des GST notamment, ne semblaient pas être des mécanismes efficaces impliqués dans la tolérance de A. chlorotica. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé, en présence ou non d‘insecticide, le microbiote dans le sol ingéré, les turricules et les intestins des 2 vers de terre. Nos résultats ont montré des différences dans la composition microbienne de ces compartiments. A cet égard, nous avons suggéré que chacune de ces espèces hébergent un microbiote spécifique de l‘espèce dans leur intestin. Nos résultats ont notamment montré que l‘intestin du ver de terre agit comme un «filtre biologique» pour les communautés microbiennes ingérées lors du passage dans l‘intestin. A ce niveau, nous avons identifié, au niveau bactérien, quatre genres dominants dans l'intestin de A. caliginosa et deux genres dominants dans l'intestin de A. chlorotica. Nous avons notamment identifié une souche de Rhodococcus, très abondante dans l'intestin de A. chlorotica. Des études ont montré que des souches de Rhodococcus peuvent dégrader certains groupes de pesticides. Nous suggérons que la présence de cette souche pourrait contribuer à la tolérance de A. chlorotica. Enfin, nous avons montré que l‘effet de l‘éthyl-parathion sur les activités enzymatiques du sol dépend principalement de la texture du sol et non pas de la présence et/ou de l‘espèce de ver de terre.Selon nos conclusions, il est extrêmement important d'inclure plus d'une espèce pour évaluer la toxicité des insecticides organophosphorés, en raison des différences interspécifiques pouvant se produire au sein d'une même catégorie écologique. De plus, l'identification et l'analyse fonctionnelle des micro-organismes présents au niveau de l‘intestin et susceptibles d'intervenir dans la détoxication des pesticides permettraient d‘améliorer nos connaissances sur le devenir du pesticide dans l'organisme et pourraient constituer un outil important dans les programmes de bioremédiation.


  • Résumé

    Pesticides used to protect plants from pests, threat grievously non-target organisms such as earthworms. Due to their feeding and burrowing activities, earthworms are in direct contact with soil particles and microorganisms, as well as pollutants including pesticides. This work investigated (1) the effect of an organophosphate “ethyl-parathion” on the sensitivity of two endogeic earthworms’ species, Aporrectodea caliginosa and Allolobophora chlorotica; and (2) the role of the gut-microbiota, in synergy with the earthworm’s detoxification pathways, in pesticide tolerance or detoxification. In the first part, biochemical and behavioral responses showed that A. caliginosa is more sensitive to “ethyl-parathion” exposure than A. chlorotica. The endpoints measured ranged from physiological (weight), biochemical (AChE, CbEs, GST) to behavioral biomarkers (cast production and burrowing activity). Our findings showed that the sensitivity of A. caliginosa could be mainly due to the intrinsic sensitivity of its AChE to “ethyl-parathion”. The role of the carboxylesterases, acting as bioscavenger of OP, and the role of the detoxifying enzymes GST did not appear to be efficient mechanisms involved in A. chlorotica tolerance. In the second part, we aimed to characterize the microbiome within the ingested soil, the cast and the gut tissue of A. caliginosa and A. chlorotica in control or polluted soils. Our results showed differences in the microbial composition between these compartments. In this line, we suggested that these two earthworms’ species harbor a species-specific microbiome in their gut. In particular, our findings showed that the earthworm’s gut acts as a “biological filter” for ingested microbial communities during the gut passage. At the level of the gut, we identified four dominated genus within the gut of A. caliginosa versus two dominated genus in the gut of A. chlorotica. Notably, we identified a Rhodococcus strain, which is highly abundant in the gut of A. chlorotica. Previous studies reported Rhodococcus strains for their ability to degrade some group of pesticides. We suggest that the presence of this strain could contribute to the tolerance of A. chlorotica. Finally, we showed that the effect of ethyl-parathion on soil enzyme activities mainly depend on soil texture rather than the presence and/or the species of earthworms. According to our findings, it is of considerable importance to include more than one species to assess toxicity from organophosphorus insecticides, due to the interspecific differences that can occur within the same ecological category. Moreover, the identification and the functional analysis of the microorganisms found in the earthworm’s gut and able to intervene in pesticide detoxification could enhance our knowledge about the fate of the pesticide inside the organism, and could be an important tool for bioremediation program.


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