L'objectif de cette étude a été de préciser l'implication des processus rhizosphériques dans lesinteractions pour l'acquisition de phosphore (P) entre une céréale et une légumineuse enassociation. Nous avons proposé comme mécanisme de facilitation l'acidification de la rhizosphèredes espèces en association induite par la fixation de N2 de la légumineuse dans le cas de sol neutres àalcalins. Ainsi, l'étude s'est focalisée sur l'influence des changements de pH induits par les racines.Les effets de la disponibilité initiale en P du sol ainsi que de la distance entre les racines des espècesassociées ont également été testés. Les expérimentations ont été menées au champ ainsi qu'enconditions contrôlées. Le blé dur et différentes légumineuses ont été cultivés en culturemonospécifique ou en association sur un même sol pour toutes les expérimentations. Le sol neutreutilisé (Luvisol) présentait trois niveaux contrastés de fertilisation phosphatée et provenait desparcelles d'un essai de longue durée. Nous avons pu démontrer que la manipulation des interactionsrhizosphériques entre une céréale et une légumineuse en association pouvait être optimisée pourpermettre l'augmentation de la disponibilité en P dans la rhizosphère des espèces associées, etencore plus dans le cas de sols présentant une faible valeur initiale de disponibilité. Lescaractéristiques du sol ont eu un rôle clé dans la détermination des processus rhizosphériquesimpliqués. Dans notre cas, les changements de pH induits par les racines ont permis d'augmenter defaçon substantielle la disponibilité en P suite à une acidification, mais aussi à une alcalinisation de larhizosphère. Ainsi la légumineuse, mais aussi la céréale sont susceptibles de faciliter l'acquisition del'espèce associée. Les interactions relatives au pH peuvent influencer la disponibilité en P sur unedistance de plusieurs millimètres et ainsi améliorer l'acquisition de P des plantes à proximité del'espèce facilitatrice.Mots clés : culture associée, facilitation, rhizosphère, disponibilité, phosphore, pH, racine / The aim of the study was to elucidate the implication of rhizospheric processes on plant speciesinteractions for phosphorus (P) acquisition between a cereal and a legume, when intercropped. Weproposed that root-induced acidification of the rhizosphere by the intercropped legume due to N2-fixation as a mechanism of facilitation in neutral to alkaline soils. Thus, the study focused on rootinducedchanges of pH. The effects of initial soil P availability and distance between roots ofintercropped species were also tested. In order to achieve our goals, experiments in the field and incontrolled condition for several cropping devices were conducted. Durum wheat and differentlegumes were grown as sole crops and intercropped on the same soil for all the experiments. Weused a neutral soil (Luvisol) presenting three contrasted fertilization rates from the field of a longtermP fertilizer trial. We demonstrated that cereal-legume can be used to enhance P availability, andeven more so in low P soils, through managing rhizospheric interactions to optimize P acquisition ofintercropped species. Soil characteristics are also a key factor determining the influence of thoserhizospheric processes. In our studied soil root-induced changes of pH substantially enhanced Pavailability in the rhizosphere either through acidification or alkalization. Thus the legume but alsothe cereal may facilitate the acquisition of the intercropped species. Interactions involving pH canaffect P availability over distance of several millimeters and ultimately enhance P acquisition ofplants in the surrounding of the facilitative species.Key words: intercrop, facilitation, rhizosphere, availability, phosphorus, pH, root

Le phosphore (P) est un élément nutritif essentiel au cycle de croissance des plantes. Du fait de leur forte rétention sur les phases solides, la concentration en ions phosphates (PO4) dans la solution du sol est généralement faible (Hinsinger, 2001). Ces dernières décennies la production agricole mondiale s'est accompagnée d'une augmentation massive de l'usage de fertilisants inorganiques (Tilman, 2002). Ces pratiques ne constituent pas une solution durable de par leurs impacts négatifs sur l'environnement et la raréfaction des ressources minières PO4 prévu ces prochaines décénies (Cordell et al., 2009). Le développement de systèmes de cultures associées céréale - légumineuse constitue une voie d'optimisation durable de la fertilité des sols vis-à-vis du P (e.g. Cassman et al. 1999 ; Betencourt et al., 2012). Cependant les variables contrôlant la disponibilité du P au sein de ces systèmes n'ont pas encore été clairement identifiées (e.g. Hinsinger et al., 2011 ; Li et al., 2010). Leur optimisation doit passer par une meilleure compréhension des processus et mécanismes rhizosphériques sous jacents à l'augmentation du P disponible. De récents travaux ont montré l'intérêt des modèles mécanistes pour l'amélioration de ces connaissances au sein de la rhizosphère du blé dur (e.g. Devau et al., 2010, 2011b). Cette approche repose sur une description thermodynamique (i.e. à l'équilibre) de l'adsorption des ions à la surface des minéraux et de la matière organique (Hiemstra et Van Riemsdijk, 1996 ; Kinniburgh et al., 1999).Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de recherche était de développer et d'utiliser la modélisation mécaniste afin de déterminer les variables régulant la disponibilité du P au sein de la rhizosphère du pois chiche cultivé seul puis en association avec le blé dur. L'exsudation d'anions organique étant largement reconnu dans la rhizosphère du pois chiche (e.g. Veneklaas et al., 2003) des simulations in silico (i.e. prédictives) des effets de l'adsorption de citrate sur la disponibilité du P ont été préalablement réalisées. Ces dernières portaient sur des sols à propriétés contrastés (composition minéralogique, calcium échangeable, DOC, SOM, pH) afin d'identifier l'influence de ces variables sur le comportement du citrate et des ions PO4. Cette première étude a entre autre permis de mettre en évidence un mécanisme, jusqu'à lors inconnu, induisant une diminution du P disponible suite à de faibles apports en citrate. Les sorties du modèle ont permis d'expliquer ce résultat par une succession d'interactions électrostatiques impliquant respectivement le citrate (Cit3-), le calcium (Ca2+) et le P (PO43-) à la surface des minéraux argileux (Duputel et al., 2013a). Dans un second temps, des mesures ont permis de confirmer l'influence de ce mécanisme dans un chromic cambisol (Duputel et al., 2013b). Dans un dernier temps, en utilisant une approche combinant expérimentation sol – plante en rhizobox et modélisation mécaniste, mes recherches ont permis d'identifier et de hiérarchiser les processus et mécanismes régulant la disponibilité du P au sein de la rhizosphère du pois chiche et du blé dur cultivés seuls et en association (Duputel et al., 2013c,d). Ces résultats confirment la prédominance du mécanisme d'adsorption / désorption pour le contrôle de la disponibilité du P dans la rhizosphère. Les effets cumulés de trois processus racinaires permettent d'expliquer l'augmentation du P disponible mesurée dans la rhizosphère. Il s'agit du prélèvement en calcium, du flux de proton et de l'exsudation de citrate. Les effets des deux premiers processus racinaires prédominent. Le PO4 ainsi libéré dans la rhizosphère proviendrait essentiellement de l'illite, qui est une phase majeure pour la fixation de PO4 dans le sol étudié (i.e. luvisol). / Phosphorus (P) limits plant growth in many soils as phosphate (PO4) is naturally present in very low concentration in soil solutions (0.1 to 10 µM; Hinsinger 2001). Low soluble PO4 concentrations (i.e. available P) are the result of the very high adsorption affinity of PO4 for mineral surfaces and the low solubility of PO4-containing minerals (e.g. Shen et al., 2011). The use of PO4 fertilizers has permitted to increase P availability in soil and ultimately has contributed to massively increase crop yield the last decades (Tilman et al., 2002). Such practices are not sustainable nowadays because of the scarcity of phosphate rock and because of the environmental issues related to PO4 fertilization (e.g. Bumb and Baanante, 1996; Cordell et al., 2009). A way of research is the development of alternative strategy to better exploit soil P ressources, as the management of cereal – legume intercropping (e.g. Cassman et al. 1999 ; Betencourt et al., 2012). However the designation of variables that control P availability, under such a device, is difficult as the involved processes are strongly contextual (e.g. Hinsinger et al., 2011 ; Li et al., 2010). The managment of intercropping systems requires an acute knowledge about the processes and mechanisms that control soil P availability in a context of a P uptake facilitation phenomena. Recent studies used a new approach to better understand the complex interacting processes and controlling mechanisms that alter P availability in the rhizosphere of durum wheat (e.g. Devau et al., 2010, 2011b). It is based on the use of surface complexation modelling which offer a mechanistic description of the adsorption mechanism onto soil minerals and organic matter. (Hiemstra et Van Riemsdijk, 1996 ; Kinniburgh et al., 1999).The aim was to develop and use this approach in order to identify and rank the main involed processes and mechanisms that regulate P availability in the rhizosphere of chickpea sole-crop and chickpea – durum wheat intercropping. The release of organic anions is well known in the rhizosphere of chickpea. Therefore in silico (i.e. predictive) simulations of the effect of citrate adsorption on soil P availability were first carry out. The effect of several soil variables on the citrate efficiency were investigated (mineralogy, exchangeable Ca, DOC, pH, SOM). We found that citrate can either increase or decrease P availability in soil, depending mainly on the occurrence of 2:1 clay minerals and on the concentrations of citrate, adsorbed Ca, and soil organic carbon. Model output showed that the deleterious effect of citrate was due to electrostatics interactions between citrate, calciumand P onto mineral surface sites (Duputel et al., 2013a). Then a second experimental and modelling study confirmed that the release of citrate in soils and its subsequent adsorption onto minerals can produce the decrease of P availability (Duputel et al., 2013b). Finally, throught a combined approach (experiment - mechanistic modelling) my research works enable to identify and rank the processes and mechanisms that regulate P availability in the rhizosphere of intercropped species (Duputel et al., 2013c,d). Results underline the importance of adsorption mechanisms in our experimental conditions. Calcium uptake and soil acidification were the two main processes involved in the control of available P in the rhizosphere of the intercropped plants. Citrate release and P uptake were also involved in the variation of P availability but to a lower extent. Predominantly phosphate adsorbed onto illite was mobilized by such rhizosphere processes.

Le phosphore (P) est un nutriment majeur qui est souvent limitant pour la croissance des plantes dans les agro-écosystèmes mais le caractère non renouvelable des réserves en roches phosphatées rend urgente la nécessité de trouver une alternative aux fertilisants phosphatés et de mieux utiliser les ressources en P du sol. Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse était d'élucider l'implication de processus rhizosphériques déterminant la disponibilité de P du sol dans des cultures associées céréale/légumineuse, et in fine l'acquisition de P par ces associations. Nous avons fait l'hypothèse que la facilitation de l'acquisition de P dans rhizosphère de ces cultures associées était la conséquence de processus microbiens, en lien avec des changements du carbone (C), de l'azote (N) et du P de la biomasse microbienne, ou de l'abondance de certains groupes microbiens spécifiques. Ma stratégie de recherche s'est donc focalisée sur les modifications de CNP de la biomasse microbienne et des communautés de microorganismes dans la rhizosphère de cultures associées relativement aux cultures pures correspondantes. Les effets de la fertilisation en P ou N et des modifications de pH en résultant en lien avec la fixation de N2 ont aussi été étudiés, à la fois au champ et en conditions contrôlées en microcosme de type rhizobox. Le blé dur et différentes espèces de légumineuses à graines ont été cultivées seules ou associées dans deux types de sols présentant des historiques de fertilisation différents. Dans une première expérience au champ avec un sol calcaire Méditerranéen présentant une forte disponibilité en P, nous avons montré que les cultures associées céréale/légumineuse pouvaient faciliter le recyclage de P en augmentant la biomasse microbienne et en modifiant sa stoechiométrie CNP dans la rhizosphère. Dans une seconde expérience au champ dans un essai de fertilisation P de longue durée, nous avons mis en évidence qu'une culture associée céréale/légumineuse pouvait augmenter le P de la biomasse microbienne à bas niveau de disponibilité en P et modifier les groupes microbiens susceptibles d'être impliqués dans le recyclage de P du sol. Enfin, nous avons conduit une expérience en rhizobox en conditions contrôlées avec le sol de cet essai de longue durée dans laquelle nous avons manipulé la disponibilité du nitrate, en vue d'évaluer les interactions des processus mentionnés plus haut et les modifications de pH induites par les racines dans la rhizosphère. En comparant la culture associée et les cultures pures correspondantes, nous avons obtenu des différences significatives de pH, de disponibilité en P, de CNP de la biomasse microbienne et de communautés de microorganismes dans la rhizosphère. Bien que ces modifications aient concerné un groupe de bactéries productrices de phytase, les relations causales entre les effets observés n'ont pu être établies. Une meilleure connaissance de tels processus devrait dans le futur nous permettre de définir des cultures associées performantes pour l'acquisition de P. / Phosphorus (P) is a major nutrient that is often limiting plant growth in agroecosystems but phosphate rocks being a finite resource, there is an urgent need to find alternatives to P fertilizers and to better use soil P resources. In this context, the aim of my thesis was to elucidate the implication of rhizosphere processes determining the availability of soil P in cereal/legume intercropping systems, and ultimately the acquisition of P by these intercrops. We hypothesized that the facilitation of P acquisition in the rhizosphere in such intercrops was the consequence of microbially mediated processes, as evidenced by shifts of microbial biomass carbon (C), nitrogen (N) and P, or of specific microbial groups. Thus, my research strategy focused on root-induced changes of microbial biomass CNP and community in the rhizosphere of intercrops relative to the same crops grown alone. The effects of P or N fertilization and consequent pH changes as related to N2-fixation were also investigated, either in field experiments or in the controlled conditions of rhizobox microcosms. Durum wheat and different grain legume species were grown as sole crops and intercropped on two types of soils with different fertilization histories. In a first field trial in a calcareous, Mediterranean soil with high P availability, we demonstrated that cereal-legumes intercrops could be used to facilitate P cycling through increasing the microbial biomass and altering its CNP stoichiometry in the rhizosphere. In a second field experiment in a long term P fertilizer trial, we evidenced that a cereal-legume intercrop could increase the microbial biomass P at low P availability and modify microbial groups possibly involved in soil P cycling. Finally, we designed a rhizobox experiment in controlled conditions with soils of this long term trial where we manipulated nitrate availability, in order to assess the interactions of the above-mentioned processes with root-induced pH changes in the rhizosphere. When comparing intercrops and sole crops, we obtained significant differences of soil pH, P availability and microbial biomass CNP and community in the rhizosphere. Although such changes concerned phytase-producing bacteria, the causal relationships between the observed effects still need to be established. A better knowledge of such processes shall help designing more P-efficient intercropping systems in the future.