Para alimentar a população mundial crescente é necessário um aumento sustentável na produtividade agrícola. Nesse sentido, Rizobactérias Promotoras de Crescimento de Plantas (RPCPs) têm sido continuamente buscadas para formulações inoculantes por sua capacidade de incremento na produção vegetal aliado ao seu potencial de redução e/ou substituição do uso de fertilizantes minerais, insumos que causam grandes impactos ambientais, na saúde humana e econômicos. A RPCP Bacillus sp. RZ2MS9, um representante da biodiversidade amazônica brasileira, é uma forte candidata a bionoculante por seu efeito benéfico, previamente descrito, em uma ampla gama de culturas, incluindo milho e soja. Essas duas culturas representam mais de 80% da área cultivada com grãos no Brasil, de forma que incrementos relativamente modestos de crescimento e produtividade poderiam gerar ganhos significativos. Membros do gênero Bacillus apresentam vantagem em formulações inoculantes, principalmente devido a sua capacidade de formação de esporos resistentes ao calor e dissecação. Seus modos de ação são diversos, tornando o entendimento da sua interação com plantas bastante desafiador. Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou, dentre os mecanismos envolvidos na promoção de crescimento vegetal, a produção de Ácido Indol Acético (AIA) e sideróforos, solubilização de fosfato e fixação biológica de nitrogênio, in vitro. No presente trabalho, foi buscado um entendimento detalhado dos mecanismos de ação dessa rizobactéria, explorando desde seu genoma até seu desempenho em condições de campo. O draft genômico (genoma parcial) bacteriano foi obtido utilizando a tecnologia de sequenciamento Illumina, o qual possibilitou a detecção de genes envolvidos nos mecanismos potencialmente relacionados ao efeito benéfico dessa bactéria, que vão desde sua formação de esporos, atração por exsudatos radiculares, motilidade e competição na rizosfera até mecanismos de solubilização de fosfato, produção de sideróforos, entre outros. As informações obtidas permitem uma exploração genética desses mecanismos, fornecendo uma oportunidade de maximizar essa interação e, futuramente, favorecer os benefícios em campo. Adicionalmente, foi demonstrado o potencial de quimiotaxia (atração) de RZ2MS9 em direção a raízes de milho. Um estudo filogenético dessa RPCP, utilizando um método de tipagem com o gene pycA (piruvato carboxilase), mostrou que o Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou-se distante do clado altamente monomórfico de B. anthracis, patógeno humano, e se afiliou a um grupo composto por linhagens de B. thuringiensis (Bt) comercializadas como produtos biopesticidas há mais de 60 anos, o que sugere a potencial possibilidade de seu uso seguro no campo. Sabe-se que a maioria, se não todas, atividades fisiológicas das plantas é regulada por fitormônios como a auxina AIA, os quais podem ser sintetizados também por RPCPs. Com mais detalhamento, os genes envolvidos nas vias biossintéticas desse fitormônio foram detectados no draft genômico de RZ2MS9, indicando que sua produção ocorre através da via IPA (Indol-3-Piruvato). Além disso, plantas de tomate anão Micro-Tom (MT) e seu mutante Δdgt, defectivo na sensibilidade a auxinas, foram utilizadas para caracterizar especificamente o efeito do AIA produzido por Bacillus sp. RZ2MS9 na promoção de crescimento vegetal. A aplicação de RZ2MS9 causou inibição no crescimento de raízes primárias, aumento no comprimento de raízes laterais e na área superficial total de raízes de plantas MT, efeitos característicos daqueles proporcionados por auxinas. Esse incremento radicular refletiu, ainda, em aumento da biomassa da parte aérea de plantas MT. Os mesmos efeitos não foram observados em plantas Δdgt, insensíveis a auxinas, indicando que a elicitação de promoção de crescimento em MT por RZ2MS9 ocorre por meio desses fitormônios. Finalmente, foi demonstrado o efeito sobre o desenvolvimento e produtividade de milho e soja da aplicação de Bacillus sp. RZ2MS9 em condições de campo, sendo comparado com o desempenho de bioinoculantes comerciais. No milho, o efeito da inoculação bacteriana foi, ainda, associado à adubação nitrogenada para verificar a possibilidade de redução desses insumos. Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou efeitos significativos sobre o desenvolvimento tanto da soja (comparáveis aos efeitos de rizóbios) quanto do milho, os quais, porém, não refletiram em aumento significativo de produtividade em ambas as culturas. No entanto, o potencial dessa rizobactéria é bastante claro pois, com um custo de produção inferior a R$1,00 por hectare, sua inoculação causou incremento de 16 sacas de milho por hectare com redução de 30% na adubação nitrogenada, assim como um incremento de 11 sacas de soja por hectare, ambos comparados ao controle não inoculado. Os resultados apresentados no presente trabalho vão, portanto, de encontro à grande expectativa na obtenção de linhagens microbianas promissoras visando sistemas agrícolas mais sustentáveis. / To feed the growing global population, a sustainable increase of agricultural production and crop yield is required. In this sense, Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) have been continuously sought to inoculant formulation due to their capacity to increase plant yield along with their potential to reduce and/or replace the use of mineral fertilizers, inputs that cause serious impacts on environment, human health and economy. The PGPR Bacillus sp. RZ2MS9, a representative of the Brazilian Amazonian biodiversity, is a great candidate to bioinoculant because of its beneficial effect on a broad range of crops, including maize and soybean. These two crops represent more than 80% of the area planted with grains in Brazil, so relatively modest growth and yield increases could generate significant gains. Bacillus spp. have advantage in inoculant formulations, mainly due to their ability to form heat- and dissecation-resistant spores. Their modes of action are diverse, making the understanding of its interaction with plants quite challenging. Bacillus sp. RZ2MS9 displays, between the mechanisms involved in plant growth, Indole Acetic Acid (IAA) and siderophore production, phosphate solubilization and biological nitrogen fixation, in vitro. In the present work, we seek a detailed understanding of this rhizobacterium mechanisms of action, exploring from its genome to its performance in field conditions. The bacterial draft genome was obtained using Illumina sequencing technology, making possible the detection of genes involved in mechanisms potentially related to the beneficial effect of this bacterium, and range from its spore formation, attraction by root exudates, motility and competition in the rhizosphere to mechanisms of phosphate solubilization, siderophore production, among others. The information obtained allow a genetic exploration of these mechanisms, providing an opportunity to maximize this interaction and, in the future, favor benefits in field. Additionally, it was demonstrated the chemotaxis (attraction) potential of RZ2MS9 towards maize roots. A phylogenetic study of this PGPR, using a typing method with the pycA (pyruvate carboxylase) gene, showed that Bacillus sp. RZ2MS9 was distant from the highly monomorphic clade of B. anthracis, a human pathogen, and affiliated with B. thuringiensis (Bt) strains marketed as biopesticides for more than 60 years, suggesting the potential possibility of its safe use in the field. It is known that most, if not all, physiological activities of plants are regulated by phytormones such as the auxin IAA, which can also be synthesized by PGPRs. With more detail, genes involved in biosynthetic pathways of this phytormone were detected in the RZ2MS9 draft genome, indicating that its production occurs via the IPA (indole-3-pyruvate) pathway. In addition, plants of the dwarf tomato Micro-Tom (MT) and its mutant Δdgt, impaired in auxin sensibility, were used to specifically characterize the effects of IAA produced by Bacillus sp. RZ2MS9 in the plant growth promotion. The inoculation of RZ2MS9 caused inhibition in the primary roots growth, increase in lateral roots length and in roots total surface area of MT plants, characteristic effects of those provided by auxins. This root growth also reflected in an increase of MT plants shoot biomass. The same effects were not observed in Δdgt plants, insensitive to auxins, suggesting that the elicitation of growth promotion in MT by RZ2MS9 occurs through these phytormones. Finally, we demonstrated the effect of inoculation with Bacillus sp. RZ2MS9 on maize and soybean development and productivity under field conditions, being compared with the performance of commercial bioinoculants. In maize, the effect of bacterial inoculation was also associated with nitrogen fertilization to verify the possibility of reducing these inputs. Bacillus sp. RZ2MS9 showed significant effects on the development of both soybean (comparable to the effects of rhizobia) and maize, which, however, did not reflect a significant increase in productivity in both crops. However, the potential of this rhizobacterium is very clear because, with a cost of production of less than R$1.00 per hectare, its inoculation caused an increase of 16 sacks of maize per hectare with a 30% reduction in nitrogen fertilization, as well as an increase of 11 sacks of soybean per hectare, both compared to uninoculated control. The results presented in this study meet the great expectation of obtaining promising microbial strains aiming at more sustainable agricultural systems.

Para alimentar a população mundial crescente é necessário um aumento sustentável na produtividade agrícola. Nesse sentido, Rizobactérias Promotoras de Crescimento de Plantas (RPCPs) têm sido continuamente buscadas para formulações inoculantes por sua capacidade de incremento na produção vegetal aliado ao seu potencial de redução e/ou substituição do uso de fertilizantes minerais, insumos que causam grandes impactos ambientais, na saúde humana e econômicos. A RPCP Bacillus sp. RZ2MS9, um representante da biodiversidade amazônica brasileira, é uma forte candidata a bionoculante por seu efeito benéfico, previamente descrito, em uma ampla gama de culturas, incluindo milho e soja. Essas duas culturas representam mais de 80% da área cultivada com grãos no Brasil, de forma que incrementos relativamente modestos de crescimento e produtividade poderiam gerar ganhos significativos. Membros do gênero Bacillus apresentam vantagem em formulações inoculantes, principalmente devido a sua capacidade de formação de esporos resistentes ao calor e dissecação. Seus modos de ação são diversos, tornando o entendimento da sua interação com plantas bastante desafiador. Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou, dentre os mecanismos envolvidos na promoção de crescimento vegetal, a produção de Ácido Indol Acético (AIA) e sideróforos, solubilização de fosfato e fixação biológica de nitrogênio, in vitro. No presente trabalho, foi buscado um entendimento detalhado dos mecanismos de ação dessa rizobactéria, explorando desde seu genoma até seu desempenho em condições de campo. O draft genômico (genoma parcial) bacteriano foi obtido utilizando a tecnologia de sequenciamento Illumina, o qual possibilitou a detecção de genes envolvidos nos mecanismos potencialmente relacionados ao efeito benéfico dessa bactéria, que vão desde sua formação de esporos, atração por exsudatos radiculares, motilidade e competição na rizosfera até mecanismos de solubilização de fosfato, produção de sideróforos, entre outros. As informações obtidas permitem uma exploração genética desses mecanismos, fornecendo uma oportunidade de maximizar essa interação e, futuramente, favorecer os benefícios em campo. Adicionalmente, foi demonstrado o potencial de quimiotaxia (atração) de RZ2MS9 em direção a raízes de milho. Um estudo filogenético dessa RPCP, utilizando um método de tipagem com o gene pycA (piruvato carboxilase), mostrou que o Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou-se distante do clado altamente monomórfico de B. anthracis, patógeno humano, e se afiliou a um grupo composto por linhagens de B. thuringiensis (Bt) comercializadas como produtos biopesticidas há mais de 60 anos, o que sugere a potencial possibilidade de seu uso seguro no campo. Sabe-se que a maioria, se não todas, atividades fisiológicas das plantas é regulada por fitormônios como a auxina AIA, os quais podem ser sintetizados também por RPCPs. Com mais detalhamento, os genes envolvidos nas vias biossintéticas desse fitormônio foram detectados no draft genômico de RZ2MS9, indicando que sua produção ocorre através da via IPA (Indol-3-Piruvato). Além disso, plantas de tomate anão Micro-Tom (MT) e seu mutante Δdgt, defectivo na sensibilidade a auxinas, foram utilizadas para caracterizar especificamente o efeito do AIA produzido por Bacillus sp. RZ2MS9 na promoção de crescimento vegetal. A aplicação de RZ2MS9 causou inibição no crescimento de raízes primárias, aumento no comprimento de raízes laterais e na área superficial total de raízes de plantas MT, efeitos característicos daqueles proporcionados por auxinas. Esse incremento radicular refletiu, ainda, em aumento da biomassa da parte aérea de plantas MT. Os mesmos efeitos não foram observados em plantas Δdgt, insensíveis a auxinas, indicando que a elicitação de promoção de crescimento em MT por RZ2MS9 ocorre por meio desses fitormônios. Finalmente, foi demonstrado o efeito sobre o desenvolvimento e produtividade de milho e soja da aplicação de Bacillus sp. RZ2MS9 em condições de campo, sendo comparado com o desempenho de bioinoculantes comerciais. No milho, o efeito da inoculação bacteriana foi, ainda, associado à adubação nitrogenada para verificar a possibilidade de redução desses insumos. Bacillus sp. RZ2MS9 apresentou efeitos significativos sobre o desenvolvimento tanto da soja (comparáveis aos efeitos de rizóbios) quanto do milho, os quais, porém, não refletiram em aumento significativo de produtividade em ambas as culturas. No entanto, o potencial dessa rizobactéria é bastante claro pois, com um custo de produção inferior a R$1,00 por hectare, sua inoculação causou incremento de 16 sacas de milho por hectare com redução de 30% na adubação nitrogenada, assim como um incremento de 11 sacas de soja por hectare, ambos comparados ao controle não inoculado. Os resultados apresentados no presente trabalho vão, portanto, de encontro à grande expectativa na obtenção de linhagens microbianas promissoras visando sistemas agrícolas mais sustentáveis. / To feed the growing global population, a sustainable increase of agricultural production and crop yield is required. In this sense, Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) have been continuously sought to inoculant formulation due to their capacity to increase plant yield along with their potential to reduce and/or replace the use of mineral fertilizers, inputs that cause serious impacts on environment, human health and economy. The PGPR Bacillus sp. RZ2MS9, a representative of the Brazilian Amazonian biodiversity, is a great candidate to bioinoculant because of its beneficial effect on a broad range of crops, including maize and soybean. These two crops represent more than 80% of the area planted with grains in Brazil, so relatively modest growth and yield increases could generate significant gains. Bacillus spp. have advantage in inoculant formulations, mainly due to their ability to form heat- and dissecation-resistant spores. Their modes of action are diverse, making the understanding of its interaction with plants quite challenging. Bacillus sp. RZ2MS9 displays, between the mechanisms involved in plant growth, Indole Acetic Acid (IAA) and siderophore production, phosphate solubilization and biological nitrogen fixation, in vitro. In the present work, we seek a detailed understanding of this rhizobacterium mechanisms of action, exploring from its genome to its performance in field conditions. The bacterial draft genome was obtained using Illumina sequencing technology, making possible the detection of genes involved in mechanisms potentially related to the beneficial effect of this bacterium, and range from its spore formation, attraction by root exudates, motility and competition in the rhizosphere to mechanisms of phosphate solubilization, siderophore production, among others. The information obtained allow a genetic exploration of these mechanisms, providing an opportunity to maximize this interaction and, in the future, favor benefits in field. Additionally, it was demonstrated the chemotaxis (attraction) potential of RZ2MS9 towards maize roots. A phylogenetic study of this PGPR, using a typing method with the pycA (pyruvate carboxylase) gene, showed that Bacillus sp. RZ2MS9 was distant from the highly monomorphic clade of B. anthracis, a human pathogen, and affiliated with B. thuringiensis (Bt) strains marketed as biopesticides for more than 60 years, suggesting the potential possibility of its safe use in the field. It is known that most, if not all, physiological activities of plants are regulated by phytormones such as the auxin IAA, which can also be synthesized by PGPRs. With more detail, genes involved in biosynthetic pathways of this phytormone were detected in the RZ2MS9 draft genome, indicating that its production occurs via the IPA (indole-3-pyruvate) pathway. In addition, plants of the dwarf tomato Micro-Tom (MT) and its mutant Δdgt, impaired in auxin sensibility, were used to specifically characterize the effects of IAA produced by Bacillus sp. RZ2MS9 in the plant growth promotion. The inoculation of RZ2MS9 caused inhibition in the primary roots growth, increase in lateral roots length and in roots total surface area of MT plants, characteristic effects of those provided by auxins. This root growth also reflected in an increase of MT plants shoot biomass. The same effects were not observed in Δdgt plants, insensitive to auxins, suggesting that the elicitation of growth promotion in MT by RZ2MS9 occurs through these phytormones. Finally, we demonstrated the effect of inoculation with Bacillus sp. RZ2MS9 on maize and soybean development and productivity under field conditions, being compared with the performance of commercial bioinoculants. In maize, the effect of bacterial inoculation was also associated with nitrogen fertilization to verify the possibility of reducing these inputs. Bacillus sp. RZ2MS9 showed significant effects on the development of both soybean (comparable to the effects of rhizobia) and maize, which, however, did not reflect a significant increase in productivity in both crops. However, the potential of this rhizobacterium is very clear because, with a cost of production of less than R$1.00 per hectare, its inoculation caused an increase of 16 sacks of maize per hectare with a 30% reduction in nitrogen fertilization, as well as an increase of 11 sacks of soybean per hectare, both compared to uninoculated control. The results presented in this study meet the great expectation of obtaining promising microbial strains aiming at more sustainable agricultural systems.

Travail réalisé en cotutelle avec l'université du Littoral côte d'opale, France / Afin de réduire l’usage des fertilisants chimiques et leurs empreintes environnementales, la production de bioinoculants à base de bactéries rhizosphériques solubilisatrices de Phosphore (PSB) est une biotechnologie prometteuse. Lorsque celle-ci est associée à l’apport de phosphate de roche (RP), elle pourrait constituer une alternative écoresponsable d’amélioration de la fertilité des sols rhizosphériques, notamment à travers l’augmentation du phosphore (P) biodisponible. Pour répondre à cet enjeu environnemental majeur, il est indispensable d’étudier la biodiversité microbienne des sols en interaction avec le RP. Ainsi, ce travail de thèse a pour objectif de caractériser, d’un point de vue taxonomique, les communautés bactériennes et fongiques associées aux compartiments racinaires et rhizosphériques de plantes natives d’environnements singuliers, peu explorés, que sont d’anciens sites miniers riches en RP. Le séquençage Illumina MiSeq d’amplicons de gènes ribosomiques des différents groupes microbiens et l’assignation taxonomique des séquences regroupées en ASV, nous ont permis de mettre en évidence des valeurs de richesse et de diversité microbiennes comparables malgré la différence des teneurs en RP et en P des sols étudiés. De même, une grande similarité entre les profils des communautés a été identifiée à haut niveau taxonomique, avec une prévalence marquée des phyla Actinobacteriota et Ascomycota, et de l’ordre Glomerales pour les communautés de champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). À un niveau taxonomique plus bas, un core microbien de 26 ASV mycorhiziennes, persistantes à travers le gradient de RP et de P, a également été mis en évidence. Toutefois, l’analyse statistique des données environnementales nous a permis d’identifier des ASV indicatrices des habitats enrichis versus non enrichis en RP, pour chaque communauté microbienne étudiée. La synthèse de ces résultats originaux montre une influence mineure des teneurs en RP et en P sur le profil des communautés microbiennes des sites étudiés et questionne la signification écologique de la prévalence de certains taxa en lien avec l’histoire minière du site, sa restauration écologique et sa résilience, ainsi que les stratégies de vie et les attributs fonctionnels des taxa dominants. Par ailleurs, une collection de PSB a été réalisée à partir d’isolats racinaires issus des sites miniers étudiés, ou à partir d’isolats issus de spores et d’hyphes mycorhiziens piégés au contact d’apports en RP déposés dans la rhizosphère de plantes d’intérêt agronomique. Ces PSB racinaires ou hyphosphériques, testés par ailleurs pour plusieurs traits additionnels promoteurs de la croissance des plantes, ont été assignés à trois phyla : Proteobacteria, Firmicutes et, dans une moindre mesure, Actinobacteria ; Bacillus et Pseudomonas étaient les genres prédominants. Enfin, à partir de ces isolats, deux consortia bactériens avec différent traits promoteurs de la croissance des plantes (PGP), ont été constitués et testés seuls ou en combinaison avec l’apport de RP et/ou l’ajout d’un inoculum mycorhizien à base de Rhizophagus irregularis, sur la croissance de la tomate, espèce d’intérêt agronomique. Une augmentation du taux de germination, un accroissement de la hauteur des jeunes plantules et des modifications au niveau du système racinaire des plants adultes, en particulier des variations de la densité du tissu racinaire, ont été observés en réponse à l’inoculation simple par les consortia ou à leur interaction double ou tripartite avec le RP et/ou le CMA. Le profil taxonomique du microbiote natif avant et après apport des inoculants et du RP a été caractérisé. En conclusion, l’ensemble de nos travaux s’appuyant sur l’analyse des données environnementales, combinées aux données de laboratoire sur l’inoculation de plantes par des isolats bactériens, notamment d’origine minière, soulignent l’intérêt mais aussi la complexité de l’élaboration d’inoculants microbiens promoteurs de la croissance des plantes, solubilisateurs de P. / In order to reduce the use of chemical fertilizers and their environmental footprint, the production of bioinoculants based on phosphorus solubilizing rhizospheric bacteria (PSB) is a promising biotechnology. When combined with rock phosphate (RP), it could be an eco-responsible alternative to improve rhizospheric soil fertility, especially by increasing bioavailable phosphorus (P). To address this major environmental issue, studying soil microbial biodiversity and its interactions with RP is required. Thus, the objective of this thesis is to characterize, from a taxonomic point of view, the bacterial and fungal communities associated with the root and rhizospheric compartments of native plants in singular, little explored environments, located in former mining sites rich in RP. Illumina MiSeq sequencing of ribosomal gene amplicons of the different microbial groups, then taxonomic assignment of the sequences grouped in ASV, allowed us to highlight comparable microbial richness and diversity indexes of soils despite their differences in RP and P contents. As well, a high degree of similarity between the community profiles was identified at a high taxonomic level, with a marked prevalence of the phyla Actinobacteriota and Ascomycota, and of the order Glomerales for the arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community. At a lower taxonomic level, a microbial core of 26 mycorrhizal ASV, persistent across the RP and P gradient, was also documented. However, statistical analysis of the environmental data allowed us to identify indicator ASV for PR-enriched versus non-rich habitats for each microbial community studied. All together, these original results contributed to rule on a minor influence of RP and P levels on the microbial community’s profiles across the studied sites, and raised the questions of the ecological significance of the prevalence of certain taxa regarding the site’s mining history, its ecological restoration, as well as the life strategies and functional attributes of the dominant taxa. In addition, a collection of PSB was made from mine site root isolates, or from isolates associated with spores and mycorrhizal hyphae trapped in contact with PR inputs deposited in the rhizosphere of agronomic plants. These root or hyphospheric PSB, tested elsewhere for several additional plant growth-promoting traits, were assigned to three phyla: Proteobacteria, Firmicutes, and, to a lesser extent, Actinobacteria; Bacillus and Pseudomonas were the predominant genera. Finally, from these isolates, two bacterial consortia with different plant growth promoting (PGP) traits were constituted and tested, alone or in combination with RP inputs and/or a mycorrhizal inoculum based on Rhizophagus irregularis, on the growth of tomato, a species with an agronomic interest. An increase in germination rate or height of young seedlings, and changes in the root system of adult plants, particularly changes in root tissue density, were observed in response to single inoculation by the consortia or to their dual or tripartite interaction with RP and/or AMF. The taxonomic profile of the native microbiota before and after inoculants and RP input was characterized. In conclusion, our work based on the analysis of environmental data, combined with laboratory data from plant inoculation experiments by bacterial isolates, especially of mining origin, underlines the interest but also the complexity of the development of microbial inoculants promoting plant growth, solubilizers of P.