Rôles des bactéries symbiotiques fixatrices d'azote d'Acacia spirorbis dans la biogéochimie des éléments-traces métalliques caractéristiques des sols développés sur roches ultrabasiques : contribution à l'adaptation aux contraintes édaphiques.

par Bryan Vincent

Projet de thèse en Mécanismes des Interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques

Sous la direction de Philippe Jourand.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec LSTM - Laboratoire Symbioses Tropicales et Méditerranéennes (laboratoire) et de Adaptation des Micro-organismes et des symbioses sous contraintes Edaphiques(AMOSCE) (equipe de recherche) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    ED GAIA - UNIVERSITÉ MONTPELLIER PROPOSITION DE SUJET DE THESE Rôles dans la biogéochimie des éléments minéraux, des bactéries symbiotiques fixatrices d'azote d'Acacia spirorbis : contribution à l'adaptation aux contraintes édaphiques. Direction de thèse : P. Jourand (UMR LSTM Montpellier) / F. Juillot (UMR IMPMC Nouméa) Co-encadrants : M. Ducousso / A. Galiana / L. Hannibal (UMR LSTM Montpellier) Acacia spirorbis est une espèce de légumineuse distribuée sur tout l'arc mélanésien, et principalement en Nouvelle-Calédonie (NC) où il colonise une large variété de sols (latéritiques, calcaires, siliceux, alumineux, magnésiens, limoneux, etc.) présentant différents types de stress (fortes teneurs en éléments traces métalliques, faibles teneurs en nutriments majeurs NPK, rapport Ca/Mg déséquilibré, etc.). Ce dynamisme en termes d'implantation, de croissance et de capacité de renouvellement démontre une gamme d'adaptation, peu commune parmi les plantes vasculaires. De nouvelles données récentes concernant l'étude de la variabilité génétique des populations d'A. spirorbis en Australie et en NC montrent qu'en Australie, les populations sont certes peu diversifiées mais génétiquement très différentes de celle de NC qui sont à la limite de la clonalité. Ce niveau clonale de la diversité d'A. spirorbis en NC pourrait contribuer à amender la notion d'endémisme et fait ressortir la question de l'exaptation (adaptation sélective dans laquelle la fonction actuellement remplie par l'adaptation n'était pas celle remplie initialement). Compte tenu de la capacité adaptative élevée d'A. spirorbis et de son caractère clonal en NC, l'hypothèse d'une contribution majeure des communautés microbiennes des sols à la plasticité phénotypique est posée. En effet, il faut noter les remarquables capacités de cette légumineuse à développer une triple symbiose avec des microorganismes du sols : (i) des Bradyrhizobium nodulants et fixateurs d'azote, (ii) des champignons mycorhiziens à arbuscules, et (iii) des champignons ectomycorhiziens (notamment Pisolithus albus). Cette triple symbiose soulève la question de la compréhension du (des) mécanisme(s) d'adaptation d'A. spirorbis et de ses microorganismes associés aux différents stress abiotiques générés par les sols sur lesquels il pousse naturellement en NC. Afin de répondre à cette question, un consortium composé de microbiologistes du LSTM (Université de Montpellier / IRD / CIRAD / SupAgro), du laboratoire LIVE (Université de Nouvelle-Calédonie) et de géochimistes/pédologues de l'UMR IMPMC (Université Pierre et Marie Curie / IRD) a reçu un financement de 3 ans (2013-2015) par le programme BIOADAPT de l'ANR pour le projet intitulé ADASPIR. Les objectifs de ce projet, coordonné par M. Ducousso (CIRAD / LSTM, Montpellier), sont de (1) caractériser les propriétés physico-chimiques de différents sols calédoniens et (2) de comprendre le fonctionnement de la relation symbiotique d'A. spirorbis avec ses bactéries fixatrices d'azote et ses endo- et ecto-mycorhizes pour expliquer leurs rôles respectifs dans l'adaptation de cette espèce aux contraintes édaphiques de ces sols. Acacia spirorbis étant une espèce utilisée dans les programmes de revégétalisation des anciens sites miniers en NC, les résultats obtenus dans le cadre du projet ADASPIR permettront de mieux cibler l'utilisation de cette espèce et d'optimiser la gestion de ses peuplements pour une restauration durable des écosystèmes miniers dégradés. Afin d'atteindre ces objectifs, des sites présentant des sols ferralitiques, calcaires et volcano-sédimentaires très contrastés en termes de contraintes édaphiques (pH, humidité, teneurs en nutriments et en éléments traces métalliques) ont été sélectionnés en NC sur la Grande-Terre (Province Nord) et les Iles Loyautés (Lifou). Ces sites ont fait l'objet d'une première campagne d'échantillonnage de sols et de racines avec leurs cortèges de nodules fixateurs d'azote et de mycorhizes. Au sein du projet ANR, deux équipes ont été en charge de préciser les propriétés physico-chimiques des sols des sites et d'étudier le comportement biogéochimique de la plante vis-à-vis des éléments majeurs (NPK), du rapport Ca/Mg, et des éléments traces métalliques (notamment Al, Cr, Mn, Co, Ni). Deux autres équipes se sont intéressées à la diversité des bactéries nodulantes fixatrices d'azote et aussi celle des champignons endo- et ecto-mycorhiziens par des approches génotypiques et phénotypiques. Enfin, des travaux de génétique des populations d'A. spirorbis ont été menés. L'ensemble de ces résultats est en cours de valorisation. Le présent sujet de thèse s'insère dans le cadre de ce projet ANR et de sa continuation. Le présent sujet de thèse ambitionne d'approfondir notre connaissance du (des) mécanisme(s) de la relation symbiotique entre A. spirorbis et des bactéries nodulantes et fixatrices d'azote du genre Bradyrhizobium vis-à-vis des éléments traces métalliques présents dans les sols à forte contrainte édaphique. Dans un premier volet, les parts de l'azote fixé et assimilé seront évaluées sur des échantillons de feuilles et de tiges récoltés sur des individus d'A. spirorbis distants d'au moins une dizaine de mètre sur les différents sites étudiés dans le cadre du projet ADASPIR. Des analyses similaires seront réalisées en parallèle sur des échantillons de feuilles de plantes non fixatrices d'azote de cinq espèces différentes qui ont été récoltés dans l'environnement des A. spirorbis échantillonnés, mais à distance suffisante pour ne pas bénéficier d'un éventuel apport indirect d'azote fixé par A. spirorbis, notamment par la litière. Ces cinq espèces accompagnatrices ont été choisies parmi celles présentes sur plusieurs sites afin de disposer d'éléments de comparaison valables. Enfin, sur trois sites choisis pour être représentatifs des caractéristiques édaphiques les plus éloignées (un sol calcaire, un sol ferralitique et un sol volcano-sédimentaire), trois individus d'A. spirorbis ont été échantillonnés en totalité de leur partie aérienne. La détermination du ratio 14N/15N sur l'ensemble de ces échantillons prélevés en conditions naturelles sera complétée par des analyses similaires réalisées sur des individus d'A. spirorbis cultivés en conditions contrôlées, en serre et au laboratoire. Ces cultures seront réalisées sur des échantillons de sols composites confectionnés à partir de chacun des sites étudiés dans le cadre du projet ADASPIR, avec ou sans les partenaires symbiotiques d'A. spirorbis et en présence de sources différentes d'azote (ammonium, nitrate, nitrate d'ammonium ou azote atmosphérique). L'ensemble des résultats obtenus dans le cadre de ce volet de la thèse constituera un jeu de données significatif pour estimer la part de l'azote fixé par A. spirorbis dans différentes conditions édaphiques. Dans un deuxième volet, à partir de la collection de Bradyrhizobium sp. isolés d'A. spirorbis, il faudra (i) déterminer les capacités nodulantes et fixatrices d'azote des souches in vitro, (ii) vérifier les capacités adaptatives à la contrainte édaphique, et (iii) rechercher des gènes marqueurs du fonctionnement de la symbiose et de l'adaptation (tolérance aux éléments traces métalliques caractéristiques des sols sélectionnés : Al, Cr, Mn, Co, Ni). Les génomes et les transcriptomes de trois Bradyrhizobium symbiotiques d'A. spirorbis actuellement en cours d'acquisition seront particulièrement utilisés pour ce volet de la thèse. Il s'agira de rechercher l'expression de certains de ces marqueurs dans le nodule fixateur d'azote, soit par approche transcriptomique, (q-PCR), soit par approche classique (couplage à un gène marqueur, isolement de mutant et effet sur la symbiose et la fixation d'azote). Le troisième volet sera consacré à l'histo-localisation à µ-échelle des zones d'accumulations des éléments traces métalliques caractéristiques des sols sélectionnés (Al, Ni, Cr, Co, Mn) au sein des organes symbiotiques (nodules). Cette histo-localisation sera réalisée en parallèle sur des A. spirorbis prélevés sur les différents sites d'étude du projet ADASPIR et sur des A. spirorbis cultivés en conditions contrôlées en présence de chacun des éléments traces métalliques à des concentrations comparables à celles estimées comme biodisponibles dans les sols étudiés. Cette étude se fera en utilisant les techniques d'imagerie électronique (microscope électronique à balayage et à transmission) et par rayons X (µ-fluorescence X sur rayonnement synchrotron). Une fois ces zones localisées, la spéciation des éléments traces métalliques sera déterminée par spectroscopie d'absorption des rayons X sur rayonnement synchrotron à l'aide de faisceaux résolus spatialement (principalement µ-XANES et éventuellement µ-EXAFS) afin de mettre en évidence les éventuelles associations de ces éléments avec les ligands organiques ou minéraux issus des exsudats racinaires, bactériens ou mycéliens. Les informations ainsi obtenues permettront de mieux comprendre l'éventuelle variabilité de fonctionnement de la relation symbiotique entre A. spirorbis et Bradyrhizobium sp. en fonction de la biodisponibilité des éléments majeurs (NPK) et des éléments traces métalliques caractéristiques des sols sélectionnés (Al, Cr, Mn, Co, Ni). A noter : pour la période 2016-2020, un nouveau projet va être soumis en réponse à l'appel d'offre Européen Biodiversa. Ce projet présentera une étude autour des cycles biogéochimiques des éléments majeurs (NPK) et des éléments traces métalliques des sols serpentiniques en relation avec les symbioses plantes-microorganismes. Le sujet de thèse sera inclus dans la réponse à cet appel d'offre. Personnes à contacter : Dr Philippe Jourand (philippe.jourand@ird.fr) Dr Farid Juillot (farid.juillot@ird.fr)

  • Titre traduit

    Functions of nodulating and nitrogen fixing bacteria from Acacia spirorbis in the biogeochemistry of soil heavy metals developed on ultrabasic rocks : contribution to the plant adaptation versus soil edaphic constraints.


  • Résumé

    Acacia spirorbis is wide spread in New Caledonia. It grows on contrasted soils and is able to form symbioses with arbuscular fungi, ectomycorrhiza and nitrogen fixing bacteria. This work focus on the nitrogen fixation of Acacia spirorbis through rhizobial symbiosis. How does symbioses respond to contrasted edaphic conditions? Do they work the same regardless of the soil, or does a regulation exist? Is bacterial community and its genes/phenotype affected by the soil type? How metals behave inside nodules and is their functionnality inlfuenced by edaphic conditions? This PhD focus on the nitrogen fixing potential of Acacia spirorbis and the characterization of its rhizobial community. On the field, nitrogen fixation is assessed using the natural abudance of the 15N. The bacterial symbiotic diversity is analysed using isolated cultures of bacteria from nodules naturally occuring on roots. In order to identify species and strain of bacteria, several housekeeping genes are to be sequenced: 16S, dnaK, glnii, recA. Moreover, symbiotic genes will be sequenced: nifH and nodA and Metal tolerance gene too: cnre. Phylogenetical trees will resulting will be analysed to the light of differents categories of soils, based on contrasted edaphic conditions. In the last part, analyses of the expression of total mRNAs inside nodules will be made. Histolocalisation of metals inside nodules is programmed too.