Rhizodéposition du carbone et de l'azote chez quatre espèces de Fabacées, conséquences sur la structure et l'activité du microbiote du sol.

Carbon and nitrogen rhizodeposition from four Fabaceae species, consequences on soil microbiota structure and activity

• Auteur / Autrice : Mohamed Kante
• Direction : Isabelle Trinsoutrot-Gattin, Jean-Bernard Cliquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques, biotechnologies agro-alimentaires
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....) - UniLaSalle (Beauvais - Rouen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agroécologie, Hydrogéochimie, Milieux et Ressources. UP C101 (2016-2022 ; Beauvais - Rouen)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Pascale Prud'homme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wassila Riah-Anglet, Catherine Roumet, Stéphane Bazot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Odile Berge, Gaëtan Louarn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traceurs (chimie)

Rhizosphère

Sols -- Microbiologie

Azote -- Fixation

Sols -- Teneur en azote

Sols -- Teneur en carbone

Fabacées

Mots clés libres

Fabacées

Rhizodéposition

Marquage isotopique

Carbone

Azote

Microorganismes

Fabaceae

Rhizodeposition

Isotopic labeling

Carbon

Nitrogen

Microorganisms

Résumé

L’utilisation des Fabacées dans les systèmes agricoles présente de nombreux avantages pour la préservation de l’environnement et le renforcement de la sécurité alimentaire. Parmi les nombreux services écosystémiques qu’ils fournissent, les Fabacées enrichissent le sol en carbone (C) et en azote (N) grâce à leur capacité à utiliser à la fois le C et l’N atmosphérique à travers la symbiose qu’elles forment avec les rhizobiacées et soutiennent ainsi les activités microbiennes rhizosphériques. Les travaux de cette thèse se sont intéressés à la fourniture de carbone et d’azote dans les sols à travers l’étude du processus de la rhizodéposition et de son impact sur la structure et l’activité des communautés microbiennes rhizosphériques. Ils ont porté sur deux Fabacées protéagineuses (pois et féverole) et deux Fabacées fourragères (trèfle blanc et trèfle incarnat) alors que le blé a été utilisé comme espèce non fixatrice d’N atmosphérique. Les objectifs de ce travail de thèse consistaient à évaluer (i) le flux de C et d’N de l'atmosphère vers le sol liés à la rhizodéposition, (ii) les conséquences sur la dynamique du C, de l’N et du phosphore (P) du sol par la mesure des activités enzymatiques et (iii) l’effet sur la structure des communautés microbiennes actives dans le sol. Les plantes ont été cultivées en conditions contrôlées. Une approche combinant le marquage au 13CO2 et la méthode de dilution au 15N du sol par l’N atmospherique a été mise en oeuvre pour mesurer la rhizodéposition des plantes tout au long de leur croissance en relation avec les traits fonctionnels. Un panel d’activités enzymatiques clefs en lien avec le cycle du C, de l’N et du P ont été mesurées et la technique de sondage isotopique 13C de l’ADN « DNA SIP » a été utilisée pour étudier le lien entre la rhizodéposition et la structure des communauté bactériennes et fongiques actives dans la rhizosphère. Nos résultats montrent que les rhizodéposition du C et de l’N sont fortement contrôlées par la photosynthèse et la fixation biologique de l’azote atmosphérique et en conséquence par la vitesse de croissance des plantes. Ils montrent également que la féverole et les deux trèfles possèdent de bonnes capacités de rhizodéposition du C et de l’N. D'autres traits liés à l'architecture des racines sont apparus comme de bons prédicteurs de la rhizodéposition des plantes. Nous avons également constaté que les espèces ayant présenté les quantités les plus importantes de rhizodépots présentent les niveaux d’activités enzymatiques les plus élevés dans le sol. Aussi, cet apport en nutriments N et C contribue aux besoins nutritionnels et à la croissance des microorganismes dans le sol. L’analyse de la structure des commuanutés actives montre que la féverole est associée à un microbiome rhizosphérique diversifié et enrichi en bactéries et champignons bénéfiques. Le determinisme des communautés actives est expliqué par la production de biomasse et la teneur en matière sèche des racines. Par ailleurs, l’analyse qualitative des exsudats devrait permettre de mieux comprendre l’impact de la rhizodéposition sur les microbiotes rhizosphèriques. Les comparaisons d’espèces observées ici en conditions contrôlées devront être validées par des approches complémentaires en plein champ.

Fabaceae use in agricultural systems has many benefits for the environment and for food security. Among the numerous ecosystem services provided, Fabaceae enrich the soil with both carbon (C) and nitrogen (N) because of their ability to use both atmospheric C and N sources in symbiosis with Rhizobiaceae and are an important driver of soil ecology because they support microbial activities. The work of this thesis focused on C and N soil inputs through the study of the rhizodeposition process and its impact on soil microbial communities. Two grain Fabaceae (pea and faba bean) and two forage Fabaceae (white clover and crimson clover) and a non-fixing Poaceae, wheat, were studied. The objectives were to assess (i) the flux of C and N from the atmosphere (through plant photosynthesis and biological N fixation) to the soil; (ii) the consequences on C, N and P dynamics by measuring soil enzyme activities and (iii) on rhizospheric active microbial communities. Plants were grown under controlled conditions. An approach combining 13CO2 labeling and the method measuring the dilution of soil 15N by atmospheric N was carried out to measure plant rhizodeposition all along plant growth in relation with functional traits. Key enzyme activities related to C, N and P cycles were measured and the stable 13C DNA isotope probing (DNA SIP) method was used to study the incorporation of plant-exuded 13C into microbial communities. Our results show that rhizodepositions of C and N are strongly controlled by photosynthesis and biological nitrogen fixation of atmospheric nitrogen and consequently by the growth rate of plants. High rhizodeposition fluxes are observed for faba bean and both clover species. Traits related to root architecture appeared as good predictors of plant rhizodeposition. We also found that species with the highest amounts of rhizodeposition had the highest levels of enzyme activities in soil. This study also shows that N and C nutrient supply contributes to the nutritional requirements and growth of microorganisms in the soil. The study of the structure of active microbial communities showed that faba bean is associated with a diversified rhizospheric microbiome enriched in beneficial bacteria and fungi. The determinism of active microbial communities was explained by biomass production and root dry matter content. Qualitative analysis of root exudates should provide a better understanding of the impact of rhizodeposition on soil microbiota. The species comparisons observed here under controlled conditions will have to be validated by complementary approaches in the field.