La nutrition minérale des plantes dépend à la fois du développement et du fonctionnement de leur appareil racinaire, incluant l'absorption mais aussi la capacité des plantes à influencer les cycles des nutriments, notamment par l'exsudation. Le but de cette thèse est de lier les rétroactions plantes-sol impliquant les cycles des nutriments aux stratégies d'exploration racinaire. Dans la revue bibliographique, je recense des mécanismes d'interaction plantes-sol et leurs échelles spatiales et temporelles. En considérant, à l'échelle de la rhizosphère, les interactions directes entre racines et sol, je propose que la combinaison entre exsudation et absorption des nutriments mène à des synergies entre racines d'une même plante. Ma seconde hypothèse est celle de l'existence d'un compromis entre l'exploration du sol et son occupation (défini comme la capacité des plantes à influencer efficacement le cycle des nutriments). Dans un premier chapitre, je développe un modèle général de recyclage des nutriments afin de déterminer sous quelles conditions les plantes auraient intérêt à limiter leur exploration du sol. Je montre qu'une exploration limitée est une stratégie de nutrition efficace sous certaines conditions, dont l'existence de synergies entre racines et le fait d'être dans un sol pauvre en nutriment. Dans un deuxième chapitre, je mesure le patron d'exploration racinaire et évalue le recyclage de l'azote à l'aide des outils isotopiques, chez trois espèces de Poacées pérennes de la savane de Hwange (Zimbabwe). Cette étude de terrain montre un gradient d'hétérogénéité racinaire entre ces trois espèces. Les Poacées exprimant le patron d'exploration le plus hétérogène ont un cycle de l'azote plus lent, mais potentiellement plus efficace. Dans un dernier chapitre, je développe un modèle mécaniste à l'échelle de la rhizosphère, pour une plante absorbant le phosphore et contrôlant sa disponibilité par l'exsudation de citrate. Je montre que, selon l'échelle d'influence des racines en terme d'exsudation et d'abaissement de la concentration en phosphore, la combinaison de l'exsudation et de l'absorption mène soit à une compétition, soit à une facilitation entre les racines d'une même plante. En me plaçant à l'échelle du système racinaire, je montre que les pertes en phosphore sont limitées par une exploration limitée du sol. Ce dernier résultat va dans le sens du compromis exploration/occupation. Au cours de cette thèse, j'ai donc développé des approches complémentaires, mettant en jeu différents mécanismes et échelles d'interactions plantes-sol. Le fait que les racines ne se limitent pas à un rôle d'absorption, mais agissent activement sur les cycles de nutriments a mené à deux résultats originaux : la facilitation inter-racinaire et intra-plante, et le fait qu'une exploration limitée puisse être considérée comme une stratégie efficace de nutrition. Enfin, ce travail souligne l'importance d'intégrer les divers mécanismes d'interaction plantes-sol pour comprendre les stratégies de nutrition des plantes et mieux prédire leur impact sur les cycles de nutriments à l'échelle des écosystèmes. / Plant nutrition depends on complementary mechanisms : the development of root systems, root uptake and plant ability to control nutrient cycling, e.g. through exudation. The aim of this thesis is to link plant-soil feedbacks involving the cycling of nutrients and root foraging strategies. I first review the different mechanisms of plant influence on nutrient cycling within the soil and assess their respective scales. Considering the direct effect of roots on the soil at the scale of the rhizosphere, I hypothesize that the combination of absorption and exudation may lead to synergies between the roots of a plant. At the scale of the whole root system, I propose a second, heuristic hypothesis: the existence of a trade-off between soil exploration and soil occupation (defined as the ability of plants to influence efficiently nutrient cycling). In a first chapter, I develop a general model of nutrient cycling, to determine under which condition plants should limit the exploration of soil by their roots. I show that limited exploration is an efficient strategy under specific conditions, especially nutrient-poor soils and the existence of synergies between roots. In a second chapter, I characterize soil occupation and nitrogen cycling, by the use of isotopes ratios, in the plant-soil system of three perennial grasses of the savanna of Hwange (Zimbabwe). This field study shows a gradient of root heterogeneity among these grass species. Those showing the more heterogeneous root pattern have a slower but potentially more efficient nitrogen cycling. In a last chapter, I develop a numerical mechanistic model at the rhizosphere scale for a plant taking up phosphorus and increasing its availability through exudation of citrate. I show that, depending on the extent of root influence on soil by exudation and nutrient depletion, competition between roots as well as facilitation arise from the combination of root uptake and exudation. By upscaling rhizosphere processes to the root system, I show that phosphorus losses are minimized by a restricted soil exploration, which backs the hypothesis of a trade-off between soil exploration and occupation. Overall, I developed complementary approaches that took into account several mechanisms and scales of plant-soil interactions. Considering that root functions are not limited to nutrient uptake, but also involve their influence on nutrient cycling, lead to two novel results: the potential existence of intra-plant and inter-root facilitation, and limited soil exploration as an efficient foraging strategy. This work underlines the importance of accurately integrating the mechanisms of plant-soil interaction to assess their nutrient strategies and to predict their impact on nutrient cycling within ecosystems.

La spectroscopie RMN 2D du deutérium en abondance naturelle (DAN) en utilisant les cristaux liquides chiraux comme solvant de RMN est une méthodologie efficace pour deux raisons: i) l’interaction quadrupolaire (interaction RMN sensible à l’ordre orientationnel des molécules et spécifique aux noyaux de spin I>1/2) n’est plus nulle en moyenne comme dans les liquides; ii) la chiralité du milieu permet de discriminer spectralement des énantiomères (molécule chirale) ou des directions énantiotopes (molécule prochirale). L'objectif principal de ce travail de Thèse était d'explorer le potentiel analytique de cette technique pour analyser le fractionnement isotopique naturel deutérium dans le cas d’ester d’acides gras saturés (AGS) et (poly)insaturés (AGI). Le but ultime de ce travail est de fournir de nouvelles informations (de nature stéréochimique) pour améliorer la compréhension de certains mécanismes enzymatiques impliqués au cours de leur biosynthèse. Dans ce contexte, nous avons montré que l'utilisation de solutions organiques orientées de polypeptides (mésophases chirales) utilisant des co-solvants polaires comme le DMF ou la pyridine (Py) fournissait les meilleurs résultats en termes d’(énantio)discrimination spectrale (nombre de sites et amplitude) sur la base des déplacements chimiques et des éclatements quadrupolaires du deutérium. Ainsi, la mésophase chirale (PBLG/Py) a été utilisée avec succès pour analyser les AGI comme le linoléate de méthyle (C18), pour lequel nous avons pu mesurer l'excès énantio-isotopomèrique (eei) au niveau de chaque site méthylène de la molécule. Pour la première fois, d'importantes informations relatives à la stéréochimie des mécanismes enzymatiques, inaccessibles par la méthode conventionnelle SNIF-NMR®, ont été déterminées. La même méthodologie impliquant la mésophase achirale (PBG/Py) et chirale (PBLG/Py) s’est révélée également être un excellent outil pour l'analyse des SAFA sous leur forme libre (C14 à C18) ou sous leur forme de triglycérides (3*C4 et 3*C14). L'attribution des doublets 2H détectés sur les spectres RMN 2D anisotropes des SAFA a été confirmée par l'élaboration d'un modèle théorique capable de prédire le comportement orientationnel de ces molécules flexibles. Comme exemple illustratif, la méthode a été appliquée pour étudier les mécanismes enzymatiques convertissant le linoléate en vernoléate dans deux plantes différentes. Enfin, pour améliorer la compréhension des interactions «soluté-polypeptide» impliquées dans les mécanismes d'orientation et d’énantio-discrimination, nous avons étudié par RMN 2D DAN, l'évolution des paramètres d'ordre (matrice de Saupe) de deux molécules prochirales, rigides et apolaires dissoutes dans une mésophase chirale préparée en mélangeant deux polypeptides de même stéréochimie (L), mais dont la nature chimique des chaînes latérales est différente, en fonction de leur proportion massique respective. / Natural abundance deuterium (NAD) 2D-NMR spectroscopy using (a)chiral liquid crystals as NMR solvent is a powerful method for two reasons: i) the quadrupolar interaction (an order-sensitive NMR interaction specific to spins I > ½) is not averaged to zero anymore as in liquids; ii) the chirality of medium allows enantiomers (chiral molecule) or enantiotopic directions (prochiral molecule) to be spectrally discriminated. The main objective of this Thesis work was to explore the analytical potential of this technique to analyze the natural distribution of deuterium in the case of esters of saturated fatty acids (SAFA) and (poly)unsaturated fatty acids (PUFA). The ultimate goal of this research is to collect new (stereochemical) information to improve the understanding of some enzymatic mechanisms involved during their biosynthesis. In this context, we have shown that the use of oriented solutions of polypeptide (chiral mesophases) using polar co-solvents such as DMF or pyridine (py) provided better results in terms of spectral (enantio)discrimination (number of sites and magnitude) on the the basis of chemical shifts and deuterium quadrupole splittings. Thus, the chiral mesophase (PBLG/py) has been applied successfully to analyse PUFA’s like the methyl linoleate (C18) for which we could measure the enantio-isotopomeric excess (eie) at each methylen site of the molecule. For the first time, important information related to the stereochemistry of enzymatic mechanisms, inaccessible by the conventional method SNIF-NMR®, have been determined. The same methodology using achiral (PBG / py) and chiral (PBG / py) mesophases, revealed also to be an excellent tool for analysing SAFA in their free form (C14 to C18), or in triglyceride forms (3*C4 and 3*C14). The assignment of 2H doublets detected on 2D-NMR spectra of SAFA’s was confirmed by developing a theoretical model predicting the orientational ordering behavior of these flexible molecules. As illustrative exemple, the method was applied for investigating the enzymatic mechanisms converting the linoleate into vernoleate in two different plants. Finally, to improve the understanding of “solute/polypeptide" interactions involved in the orientation and enantiodiscrimination mechanisms, we have investigated by NAD 2D-NMR the evolution of the order parameters (Saupe matrix) of two apolar, rigid prochiral molecules dissolved in a chiral mesophase made by mixing two polypeptides having the same stereochemistry (L) but different type of side chains, versus their respective mass proportion.

La mesure de couplage dipolaire permet d’accéder à la structure tridimensionnelle d’un composé solide. Cependant, en présence d’une forte densité de spins couplés, le phénomène de troncature dipolaire rend difficile l’obtention de ces informations par RMN du solide. Ce problème peut être affranchi par l’étude de spins rares en abondance naturelle. En effet, avec une abondance naturelle de 1.1 %, la probabilité que trois 13C soient couplés, et avec elle la troncature dipolaire, devient négligeable. Une méthodologie basée sur la séquence de recouplage dipolaire POST-C7 permet d’accéder à des informations structurales d’échantillons en abondance naturelle sensibles à la fois à la conformation moléculaire et à l’empilement cristallin par mesure de couplages dipolaires 13C-13C. La sensibilité de détection des signaux RMN 13C est augmentée à l’aide la polarisation dynamique nucléaire ce qui permet de réduire considérablement les temps d’expériences. De plus, la séquence de recouplage R20_9_2 aidée de supercycles s’est montrée être plus robustes que POST-C7 face à de fortes anisotropies de déplacement chimique ou de forts couplages hétéronucléaires 1H-13C. La seconde problématique abordée concerne l’attribution de signaux 13C. En effet, il existe seulement quelques exemples de détermination de connectivités 13C -13C en abondance naturelle. Nous montrons ici que des spectres de corrélations dipolaires 13C-13C peuvent être obtenus en quelques jours à l’aide de la séquence de recouplage R20_9_2. Contrairement aux méthodologies basées sur le couplage J, notre séquence requiert un temps d’excitation DQ plus court ce qui la rend adaptée à l’étude de solides désordonnés. / Measurment of dipolar coupling provides 3D structural information of powder samples. However, in practice, the high density of spins in organic compounds prevents the measurements of long-range dipolar couplings in solid-state NMR by the so-called dipolar truncation effect. The study of rare spins on natural abundance allows to overcome this problem. In fact, with a natural abundance of 1.1 %, the probability for three 13C to be coupled is negligible. We developed a methodology based either on the dipolar recoupling NMR pulse sequence POST-C7 or on the dramatic increase in sensitivity provided by dynamic nuclear polarization. We demonstrated that its methodology provides a measure of 13C-13C dipolar couplings in natural abundance powder samples and that the so-obtained distance information is sensitive to both molecular conformation and crystal packing of powder samples. Moreover, we show that the recoupling pulse sequence R20_9_2 is more robust to strong chemical shift anisotropy and also to strong 1H-13C heteronuclear dipolar couplings than POST-C7. The second challenge involves 13C signal assignment for natural abundance. In fact, there are only a few examples of 13C-13C correlation spectra obtained for natural abundance samples. Here, we show that 13C-13C correlation spectra sequence based on the reintroduction of 13C−13C dipolar couplings can be obtained with standard MAS probe and within few days using R20_9_2 pulse sequence. Contrary to pulse sequences based on 13C-13C J coupling, our pulse sequence requires shorter DQ excitation time and hence, is more suitable for samples having short T2 relaxation times such as amorphous solids.