L'objectif de cette thèse est d'estimer la capacité du bore et de ses isotopes à évaluer les mécanismes et bilans de l'altération des minéraux dans les sols. Pour ce faire, trois axes ont été développés : 1) une approche expérimentale, durant laquelle un minéral-test (la biotite) est soumis à l'action de différents agents altérants représentatifs de ceux trouvés dans les sols. 2) une approche in-situ dans un sol forestier acide, menée sur des minéraux séparés (biotite, muscovite,feldspath potassique et albite), au cours de leur altération à différentes profondeurs (site de Breuil-Chenue, France). L'objectif de cette étude est de déterminer la sensibilité du bore aux processus de la formation des sols. 3) une seconde approche in-situ sur le même site expérimental, menée cette fois-ci sur les horizons superficiels (horizon A et horizon d'accumulation des oxy-hydroxydes d'aluminium), dont le but est de déterminer la sensibilité du bore et de ses isotopes aux processus liés à la proximité de la végétation (variations saisonnières, proximité des racines). Le bore permet, grâce à sa très grande réactivité durant les mécanismes d'altération par rapport aux éléments majeurs constitutifs du réseau cristallin (observable aussi bien en conditions expérimentales qu'en milieu naturel), de tracer avec une grande sensibilité les mécanismes de dissolution ou de transformation des différents minéraux primaires, et ouvre de nouvelles perspectives quant à la compréhension et la modélisation des sols.

L’objectif de cette thèse est d’estimer la capacité du bore et de ses isotopes à évaluer les mécanismes et bilans de l’altération des minéraux dans les sols. Pour ce faire, trois axes ont été développés : 1) une approche expérimentale, durant laquelle un minéral-test (la biotite) est soumis à l’action de différents agents altérants représentatifs de ceux trouvés dans les sols. 2) une approche in-situ dans un sol forestier acide, menée sur des minéraux séparés (biotite, muscovite,feldspath potassique et albite), au cours de leur altération à différentes profondeurs (site de Breuil-Chenue, France). L’objectif de cette étude est de déterminer la sensibilité du bore aux processus de la formation des sols. 3) une seconde approche in-situ sur le même site expérimental, menée cette fois-ci sur les horizons superficiels (horizon A et horizon d’accumulation des oxy-hydroxydes d’aluminium), dont le but est de déterminer la sensibilité du bore et de ses isotopes aux processus liés à la proximité de la végétation (variations saisonnières, proximité des racines). Le bore permet, grâce à sa très grande réactivité durant les mécanismes d’altération par rapport aux éléments majeurs constitutifs du réseau cristallin (observable aussi bien en conditions expérimentales qu’en milieu naturel), de tracer avec une grande sensibilité les mécanismes de dissolution ou de transformation des différents minéraux primaires, et ouvre de nouvelles perspectives quant à la compréhension et la modélisation des sols. / The objective of this thesis is to estimate the ability of boron and its isotopes to evaluate mineral weathering budgets and mechanisms in soils. In this goal, 3 different approaches were conducted:1) an experimental approach during which a test-mineral (biotite) undergoes the action of different weathering agents, representative of those found in soils.2) an in-situ approach in an acid soil profile led on different minerals (biotite, muscovite, K-feldspar and albite) handpicked at various depths and weathering state (Breuil-Chenue forest experimental site, France).The objective of this study is to determine the sensitivity of boron to soil formation processes.3) an second in-situ approach conducted on the same study site but this time on sub-surface horizons (horizon A and Al-oxi-hydroxides accumulation horizon), which aim is to evaluate the sensitivity of boron and its isotopes to mechanisms in close vicinity to vegetation (seasonal variations, vicinity of the roots). B and its isotopes able, thanks to its high reactivity during weathering mechanisms in comparison to major elements that constitute the crystallographic network (observed in experimental as well as in in-situ approaches), to trace with a great sensitivity primary minerals dissolution or transformation mechanisms, and opens new insights for the comprehension of soils.

Face à une demande mondiale en bois en constante augmentation, les forêts plantées sont en rapide expansion, notamment au Brésil où les plantations d'eucalyptus pourraient couvrir 10 millions d'hectares d'ici 2020. Ces plantations hautement productives soulèvent des questions importantes au niveau (i) de leur durabilité dans un contexte de changement climatique et (i) de leur impact sur l’environnement, en particulier sur les cycles de l'eau, du carbone et des nutriments. La capacité des eucalyptus à développer un système racinaire très profond (<15 m) pour atteindre la nappe phréatique, pourrait jouer un rôle clé dans l’adaptation à des disponibilités plus faible en eau. Cependant, le rôle de ces racines fines profondes dans la nutrition des plantes a jusque-là été extrêmement peu documenté.Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse était d'évaluer l'influence de la profondeur et de la disponibilité de l’eau sur le fonctionnement des racines fines à travers l’étude de la rhizosphère. Pour cela, une plantation clonale d’Eucalyptus grandis de 5 ans a été étudiée au Brésil sous deux régimes hydriques contrastés : un traitement + W, recevant une pluviométrie normale a été comparé à un traitement –W dans lequel 37% des pluviolessivats sont exclus. Des essais ont été réalisés dans le but d'appliquer une technologie de laboratoire innovante au champ : les optodes, permettant la cartographie du pH rhizosphérique notamment. Les rhizodepôts libérés par les racines fines d’eucalyptus interférant avec le signal du capteur optique, nous n’avons pas pu obtenir de résultats interprétables. Cependant, des tests réalisés sur le pin nous laissent confiants quant à la possibilité d'utiliser ce système, en suivant quelques recommandations. Des analyses destructives ont été réalisées sur du sol rhizosphérique et non-rhizosphérique échantillonnés le long d'un profil de 4 m. Au niveau de la nutrition : une accumulation de potassium et de protons au sein de la rhizosphère a été observée, en particulier en dessous d’1 m (x3,0 et x1,1 pour K et H3O+ en + W, resp.) et en condition de réduction des précipitations (x7,0 et x1,4 pour K et H3O+ en –W, resp.). La répétition de ces mesures pendant la saison des pluies a confirmé l'enrichissement de protons et de K dans la rhizosphère, ce qui suggère que ces processus se produisent tout au long de l'année. Cependant, l’absence d’effet traitement durant la saison des pluies laisse suggérer une bonne résilience potentielle du système. La quantité de K amenée à la surface des racines fines par flux de masse, estimée à 2 kg de K ha-1 an-1, ne permet pas d’expliquer la quantité de potassium absorbé par les arbres, estimée à 17,5 kg de K ha-1 an-1, ni l'accumulation observée dans la rhizosphère. Une explication plus probable est l'altération des minéraux potassiques induite par le fonctionnement racinaire, et notamment l’acidification. La preuve de la possibilité d’association ectomycorhiziennes jusqu'à 4 m de profondeur renforce l'hypothèse d'un rôle clé des racines fines profondes dans la nutrition des plantes. Une concentration élevée en Al3+ a aussi été mesurée au sein de la rhizosphère (jusqu'à 12 mg kg-1). Au niveau du stockage du carbone : malgré la diminution exponentielle attendue de la concentration en C et N avec la profondeur (de 0,72 à 0,12 ‰ entre 0 et 4 m), nos résultats ont montré que plus de la moitié du stock de carbone contenu dans le sol non rhizosphérique était situé en dessous d’1 m. Une accumulation de C dans la rhizosphère a été mesurée, en particulier en profondeur (x1,4 en dessous d’1 m en + W) et en condition de réduction des pluies (x3,0 à 4 m en –W). Les mêmes tendances ont été observées pour N. L’effet rhizosphérique a été conservé pendant la saison des pluies, mais pas l'effet du traitement. Ce travail a confirmé que les racines fines profondes jouent un rôle clé, pour la nutrition des plantes et le stockage de carbone, en contexte de changement climatique particulièrement. / Due to the constant increase of the world demand for wood, the planted forests are in fast expansion notably in tropical countries such as Brazil where plantations of eucalypts, the most productive and spread out planted species, may reach 10 million ha by 2020. The expansion of these plantations on less fertile sites, combined with the context of climate change lead to important issues about (i) the sustainability of these plantations under more frequent and intense drought events and (i) the impact on the environment of these highly productive plantations with very short rotations (6 yr), particularly for nutrient, water and carbon cycles. Eucalypt trees are able to develop very deep root system (<15 m) to reach the water table, and this may play a key role to cope with decreasing soil water availability. However, the role of these deep fine roots in plant nutrition is dramatically under-documented. In this context, the general objective of this study was to evaluate the influence of soil depth combined with water availability on fine root functioning through characterization of the rhizosphere properties. For this purpose, a 5-yr-old clonal Eucalyptus grandis plantation was studied in Brazil in two contrasted water regimes: the +W treatment, receiving normal rainfall was compared with the –W treatment where 37% of the throughfall were excluded in order to mimick the future climate forecasted in the region. Exploratory tests were carried out for the introduction of an innovative lab technology under field conditions: the optodes, which allow mapping rhizosphere pH. The rhizodeposition of eucalypt fine roots interfered with the optical sensor signal and prevented us to get interpretable results. However, some tests on pine trees let us confident of the possibility of using our system for field studies at depth, using some recommendations. Destructive analyses of rhizosphere and bulk soil samples collected along a 4-m deep soil profile showed an effect of depth and rainfall reduction on rhizosphere pH, potassium concentration, rhizodeposition pattern and carbon storage capacity. Concerning nutrition issues, we found an accumulation of potassium and protons within the rhizosphere, especially below 1-m depth (x3.0 and x1.1 for K and H3O+ in +W, respectively) and in reduced rainfall conditions (x7.0 and x1.4 for K and H3O+ in –W, respectively). Repeating these measurements during rainy season confirmed the enrichment of protons and potassium within the rhizosphere, suggesting that these processes may occur all along the year but no treatment effect was observed anymore, pointing to a potential good resilience of the system. The amount of K brought to fine roots by mass flow was estimated to 2.0 kg K ha-1 yr-1 and could not explain the amount of potassium taken up by trees estimated to 17.5 kg K ha-1 yr-1 and the observed accumulation in the rhizosphere. A more likely explanation was the root-induced weathering of K-bearing minerals, partly related to rhizosphere acidification. Proof of ectomycorrhizal association down to 4-m depth further supported the hypothesis of a key role of deep fine roots in plant nutrition. High exchangeable Al3+ concentration was found within the rhizosphere (up to 12.0 mg kg-1). Concerning the carbon storage issue, despite an expected exponential decrease of C and N concentrations within the bulk soil with depth (0.72‰ to 0.12‰ from top soil to 4-m depth), our results showed that more than half of soil C stock within the bulk soil occurred below the first meter. An accumulation of C within the rhizosphere was found, especially at depth (x1.4 below 1 m in +W) and in reduced rainfall conditions (x3.0 at 4-m depth in –W). The same trends were found for N. The rhizosphere effect was conserved during rainy season but not the treatment effect. This work confirmed that deep fine roots play a key role, especially in the context of climate change, for plant nutrition and carbon storage.

Les plantes interagissent en permanence avec une grande diversité de microorganismes qu'elles sélectionnent entre autre au niveau de leurs racines. Certaines bactéries, qualifiées de PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), sont capables de stimuler la croissance et la santé de la plante, grâce à l'expression d'une large panoplie de propriétés phytobénéfiques. L'hypothèse actuelle serait que les PGPR possédant un nombre maximal de ces fonctions auraient un plus fort impact bénéfique sur le végétal. Toutefois, l'occurrence de ces PGPR multifonctions dans la rhizosphère n'est pas connue. De plus, les possibles interactions entre propriétés co-occurrentes au sein d'une même PGPR et la résultante de ces interactions sur la plante sont relativement peu documentées. Dans ce contexte, ce projet de thèse a eu comme objectif général de mieux comprendre la distribution des propriétés phytobénéfiques chez un groupe bactérien possédant un large éventail de ses propriétés, celui des Pseudomonas fluorescents et d'évaluer chez une PGPR modèle multifonction, Pseudomonas fluorescens F113, si des interactions fonctionnelles existent entre ces propriétés et déterminer leurs contributions respectives à l'effet phytostimulateur. L'étude d'environ 700 isolats de Pseudomonas provenant de la rhizosphère de deux cultivars de maïs et de sol nonrhizosphérique, a mis en évidence que ces cultivars sélectionnent majoritairement des Pseudomonas fluorescents (i) arborant un nombre réduit de propriétés phytobénéfiques (1 à 5 propriétés) et (ii) appartenant à des sous-groupes taxonomiques particuliers. Par ailleurs, l'étude de génomique comparative que nous avons menée au sein du groupe des Pseudomonas fluorescents souligne le lien entre phylogénie et les profils de propriétés phytobénéfiques possédées par les Pseudomonas. Enfin, chez P. fluorescens F113, les propriétés co-occurrentes ne contribuent pas de façon égale à l'effet observé sur la plante. L existence d'interactions entre ces propriétés co-occurrentes a également été mise en évidence. De ce réseau d'interactions, résultera un effet bénéfique observé sur la plante particulier. Ces résultats sont importants pour mieux comprendre la place et le rôle de ces PGPR multifonctions dans la rhizosphère. Ils permettent d'approfondir nos connaissances à propos du fonctionnement écologique des Pseudomonas fluorescents au sein du rhizomicrobiote / Plants are constantly interacting with a huge diversity of microorganisms, especially in the rhizosphere, where plant roots (through rhizodeposition) will select particular bacterial populations. Some bacteria, called PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), are able, in turn, to improve plant growth and health, through the expression of a wide range of plantbeneficial properties. The current hypothesis is that PGPR harboring a maximum number of these plant-beneficial properties would provide a better effect on plant. However, the occurrence of these multi-trait PGPR in the rhizosphere is unknown. In addition, the interaction between co-occurring plant-beneficial properties within the same PGPR and their resulting effects on plant are poorly documented. In this context, the aims of this thesis were to (i) determine the distribution of plant-beneficial properties in the fluorescent Pseudomonas bacterial group, known to harbor a wide range of these properties, and (ii) to evaluate in the PGPR model strain Pseudomonas fluorescens F113, if a crosstalk between plant-beneficial properties occurs and to determine the relative contribution of each co-occurring plantbeneficial properties. The study of 700 Pseudomonas isolates from the rhizosphere of two maize cultivars and from non-rhizosphere soils shows that cultivars mostly select fluorescent Pseudomonas (i) displaying few plant-beneficial properties (up to 5 properties) and (ii) belonging to particular taxonomic subgroups. Furthermore, the comparative genomic study we conducted within the fluorescent Pseudomonas group emphasizes the link between phylogeny and plant-beneficial profiles owned by Pseudomonas. Finally, in P. fluorescens F113, co-occurring plant-beneficial properties do not contribute equally to the observed effects on plant. The existence of crosstalks between these co-occurring plant-beneficial properties was also highlighted. This network of functional interactions may lead to specific effects on plant. These results are important for understanding the place and role of multi-trait PGPR in the rhizosphere. They help to deepen our understanding of the ecological functioning of fluorescent Pseudomonas among the rhizomicrobiote

Les Hydrocarbures Aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants, dont la faible disponibilité dans les sols historiquement contaminés limite leur biodégradation. La capacité des plantes à favoriser l’élimination de ces polluants par l’action des microorganismes associés à leur rhizosphère a été montrée (rhizodégradation). Toutefois les résultats sont variables, suggérant la variabilité spatio-temporelle des processus. Des études à différentes échelles de temps et d’espace, utilisant des microcosmes et des dispositifs in situ ont été menées pour préciser ces phénomènes. L’étude de la variabilité spatiale des HAP et de la diversité bactérienne a été menée au sein de deux rhizosphères contrastées (ray-grass et luzerne), à l’échelle centimétrique après 37 jours de culture sur un sol de friche industrielle. Les résultats ont montré une spatialisation de la teneur en sucre et du pH, de la diversité bactérienne et de l’abondance microbienne, spécifique de l’espèce végétale, mais sans structuration de la teneur en HAP. L’étude de la variabilité temporelle de ces processus a révélé la dissipation en 6 jours des polluants biodisponibles ainsi qu’un effet positif des plantes par rapport au sol nu sur la dissipation des HAP et sur l’expression des gènes de HAP-dioxygénase. Une étude à plus long terme (6 ans) et in situ a montré que le couvert végétal ralentit la dissipation des HAP et influencent fortement la diversité microbienne, tout comme certains paramètres édaphiques. L’ensemble de ces résultats montre l’importance de la biodisponibilité des HAP qui conditionne leur dissipation, et de la dynamique des communautés microbiennes dans la rhizosphère / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic pollutants in soil, whose degradation in aged-contaminated soil is limited by their low bioavailability. The ability of plants to promote pollutant dissipation through the action of rhizosphere microorganisms has been shown (rhizodegradation). However contrasted results were obtained suggesting spatio-temporal variability of processes. Different experiments, with different time and space scales, using microcosm and field trials were achieved to precise phenomena. Study of spatial variability of PAH and bacterial diversity were done in two-contrasted rhizospheres (ryegrass and alfalfa) at centimeter scale after 37 days of plant growth, on a wasteland aged contaminated soil Results showed spatial structuration of sugar content, pH, bacterial diversity and microbial density, depending on plant species, but no vertical gradient was observed for PAH concentration. Study of temporal variability of processes showed dissipation of bioavailable fraction of pollutant in just 6 days and in comparison with bare soil, a positive impact of plant was shown on PAH dissipation and on expression of PAH dioxygenase genes. A long-term study (over 6 years) in a field trial revealed that plant cover slowed down PAH dissipation and impacted bacterial and fungal diversity as edaphic parameters. All these results underlined the importance of PAH bioavailability for the dissipation process and of spatio-temporal dynamic of microbial community, in the rhizosphere

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.

Pour répondre aux besoins des populations humaines, l'agriculture est de plus en plus intensive, utilisant un très grand nombre d'engrais azotés pour augmenter les rendements. Ces engrais sont utilisés parce que l'azote est l'un des facteurs les plus important et limitant pour la croissance des plantes. L’azote sous forme de nitrate est soumis à des problématiques de pollutions pouvant affecter l’environnement ainsi que la santé humaine. Les défis de l'agriculture de demain sont donc de faire face à une population toujours plus nombreuse, tout en limitant l'impact sur notre environnement. C’est pour cela que la recherche et l’agriculture se questionnent de plus en plus sur l’utilisation d’autres produits comme les biostimulants ou des inhibiteurs, afin de limiter les intrants tout en conservant un taux de productivité viable. Une solution consisterait à agir sur les microorganismes du sol liés au cycle de l’azote afin de limiter les pertes des agrosystèmes en azote via le dégagement de gaz à effet de serre (N2O), de lessivage ou/et de volatilisation. En effet, dans les sols, le nitrate est également utilisé par les bactéries dites dénitrifiantes qui le réduisent en N2O (gaz à effet de serre) et N2, représentant alors une perte d’azote pour les cultures et une augmentation de la pollution atmosphérique. Par conséquent, les plantes sont en compétition directe avec ces bactéries pour l'assimilation du nitrate. Récemment, l’équipe encadrante de cette thèse a mis en évidence une stratégie développée par certaines plantes consistant en la production de métabolites secondaires : les procyanidines, qui inhibent la dénitrification des communautés microbiennes du sol. Les procyanidines ont la capacité d’inhiber, chez les bactéries dénitrifiantes, la première étape de la dénitrification transformant le nitrate en nitrite et ainsi d’empêcher l’utilisation du nitrate, sans toutefois exercer un effet antibactérien. Cette stratégie permet de conserver par conséquent le nitrate dans le sol, celui-ci pouvant alors être utilisé par les plantes pour leur nutrition et leur croissance. L’objectif principal de cette thèse a été d’évaluer l’effet de l’application de procyanidines exogènes à plusieurs concentrations en champs sur un modèle de plante d’intérêt économique, la laitue, ainsi que sur différents types de sols. Ces effets ont également été testés sur un autre modèle d’intérêt économique consommatrice d’azote, le céleri. Au cours de ces expérimentations, des mesures ont été effectuées sur (i) l’activité microbienne de dénitrification, (ii) les traits végétaux en lien avec la croissance et (iii) l’abondance des communautés bactériennes dénitrifiantes. Nos résultats montrent une induction d'un BDI en champs, une conservation du nitrate induisant à son tour une amélioration de la croissance des végétaux et une contre sélection par la plante des dénitrifiants. L’autre point abordé, plutôt fondamental mais qui a moins abouti faute de temps, consistait à mettre en évidence via l’utilisation de mutants d’Arabidopsis thaliana affectés dans la production des procyanidines ou surproduisant les procyanidines, un retour vers la plante de l’azote détourné suite au BDI / To meet the needs of human populations, agriculture is increasingly intensive, using a very large number of nitrogen fertilizers to increase yields. These fertilizers are used because nitrogen is one of the most important and limiting factors for plant growth. Nitrogen in the form of nitrate is subject to pollution problems that can affect the environment and human health. The challenges for tomorrow's agriculture are therefore to face an ever-increasing population, while limiting the impact on our environment. This is why research and agriculture are increasingly questioning the use of other products such as biostimulants or inhibitors, in order to limit inputs while maintaining a viable productivity rate. One solution would be to act on soil microorganisms linked to the nitrogen cycle in order to limit nitrogen losses from agrosystems through greenhouse gas (N2O) emissions, leaching and/or volatilization. Indeed, in soils, nitrate is also used by so-called denitrifying bacteria, which reduce it to N2O (greenhouse gases) and N2, representing a loss of nitrogen for crops and an increase in air pollution. As a result, plants compete directly with these bacteria for the assimilation of nitrate. Recently, the supervising team of this thesis has highlighted a strategy developed by some plants consisting of the production of secondary metabolites: procyanidins, which inhibit the denitrification of soil microbial communities. Procyanidins have the ability to inhibit the first step of denitrification in denitrifying bacteria, transforming nitrate into nitrite and thus preventing the use of nitrate, without however exerting an antibacterial effect. This strategy therefore preserves the nitrate in the soil, which can then be used by plants for their nutrition and growth. The main objective of this thesis was to evaluate the effect of the application of exogenous procyanidins at several field concentrations on a plant model of economic interest, lettuce, as well as on different soil types. These effects have also been tested on another model of economic interest that consumes nitrogen, celery. During these experiments, measurements were made on (i) microbial denitrification activity, (ii) plant traits related to growth and (iii) the abundance of denitrifying bacterial communities. Our results show an induction of a BDI in the field, a conservation of nitrate inducing in turn an improvement in plant growth and a counter-selection by the plant of denitrifiers. The other point addressed, which was rather fundamental but less successful due to a lack of time, was to highlight, via the use of Arabidopsis thaliana mutants affected in the production of procyanidins or overproducing procyanidins, a return to the plant of nitrogen diverted following the BDI

La Vigne est cultivée en système greffé, combinant les qualités de production fruitière des Vignes Européennes (Vitis vinifera) et la tolérance phylloxérique des Vignes Américaines (Vitis spp.). Cependant l’utilisation de porte-greffes américains modifie le développement, la physiologie, et l’alimentation hydrique et minérale du greffon. Plus particulièrement, le fond génétique des porte-greffes de la Vigne semble impliqué dans la régulation de la nutrition en phosphore (P) du greffon. Le phosphore est un élément nutritif essentiel pour la croissance des plantes, impliqué dans la composition de nombreux composants cellulaires, ainsi que dans le contrôle des voies métaboliques via son apport énergétique et la régulation de l’activité enzymatique. Malgré son importance, P un est des éléments minéraux les plus limitants pour la croissance des plantes en raison de sa faible disponibilité assimilable dans le sol. L’objectif de ce travail est de déterminer les mécanismes impliqués dans le contrôle de la nutrition en P de la Vigne, en comparant deux porte-greffes V. riparia cv. Riparia Gloire de Montpellier (RGM) et V. rupestris x V. berlandieri cv. 1103 Paulsen (1103P) connus pour conférer respectivement de faibles ou fortes concentrations en P à leur greffon. Les résultats montrent que 1103P est plus adapté à acquérir le P que RGM, en partie grâce à un système racinaire plus développé permettant une meilleure exploration du sol ainsi qu’une meilleure efficience d’acquisition du P disponible. Ce porte-greffe montre également meilleure utilisation de ses réserves en P dans les parties pérennes afin d’optimiser la croissance des parties aériennes. En revanche la capacité des génotypes à augmenter le P assimilable dans la rhizosphère ne semble pas être différente. Enfin l’effet du greffage et plus particulièrement du greffon a été étudié, révélant le rôle de V. vinifera sur le développement et le fonctionnement racinaire du porte-greffe. Ces résultats contribuent à la compréhension des mécanismes régulant l’alimentation minérale de la Vigne, mettant ainsi en évidence le rôle du fond génétique du porte-greffe sélectionné, ainsi que la régulation de ce dernier par son greffon. / Grapevine is grown in a grafted system, combining the fruit production qualities of the European species (Vitis vinifera) and the phylloxera tolerance of American species (Vitis spp.). However, the use of American rootstocks affects the development, the physiology, and the water and mineral status of the scion. Particularly, the genetic background of grapevine rootstocks appears to be involved in the regulation of phosphorus (P) content of the scion. Phosphorus is an essential nutrient for plant growth, involved in the composition of many cellular components, as well as in the control of metabolic pathways via its role in energy transfer and the regulation of enzymatic activity. Despite its importance, P is one of the most limiting mineral elements for plant growth because of its poor availability in the soil. The objective of this work is to determine mechanisms involved in the control of P nutrition in grapevine, by comparing two rootstocks V. riparia cv. Riparia Gloire de Montpellier (RGM) and V. rupestris x V. berlandieri cv. 1103 Paulsen (1103P) known to confer low and high concentrations of P to their scion respectively. The results show that 1103P is more efficient at acquiring P than RGM, with a higher developed root system allowing greater soil exploration as well as a higher efficiency of P acquisition. In addition, this rootstock shows better use of its reserves of P in perennial parts to optimize the growth of the shoot. However, the ability of genotypes to increase the assimilable P in the rhizosphere does not seem to be different. Finally, the effect of grafting, and more particularly of the scion genotype, has been studied, demonstrating the capacity of V. vinifera to alter the development and root functioning of the rootstock. These results contribute to our understanding of the mechanisms regulating the mineral nutrition in grapevine and highlight the role of the genetic background of the rootstock, as well as its regulation by the scion.

No description available.