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 déficience des sols en éléments minéraux, particulièrement le phosphore (P) est une limitation majeure pour la croissance et le développement des légumineuses fixatrices d’azote. L’application des fertilisants phosphatés est une pratique traditionnelles pour satisfaire les besoins des plantes en P. Ainsi, pour tester l’efficacité d'utilisation du P pour la fixation symbiotique de l’azote (FSN) sous déficience en P, plusieurs lignées recombinantes (RILs) de haricot contrastantes dans leurs tolérance au déficit en P ont été utilisées. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer l’aptitude de ces RILs pour l’amélioration de la fertilité phosphatée des sols déficients en P et sa relation avec la croissance et la nodulation de la légumineuse. Pour atteindre ces objectifs, des expériences ont été réalisées sous serre et en champs d'agriculteurs. Sous conditions contrôlées (serre) et non contrôlées (champs), les résultats ont montré une diminution du pH des sols associée à une augmentation du P assimilable. Une telle augmentation de la disponibilité du P a eu un effet positif sur la nodulation et la croissance de certaines des RILs testées. Aussi, l’amélioration de l’aptitude de ces RILs à fixer l’azote atmosphérique et l’élévation de la libération des protons H+ par les racines nodulées ont été quantifiés en milieu contrôlé. Ainsi la diminution du pH du sol a permis de réduire l’indisponibilité du P dans la solution du sol en le transformant en une forme directement biodisponible pour ces plantes. En outre, les résultats ont montré des différences significatives entre les différentes RILs en termes de la biomasse aérienne et nodulaire selon les sites d'observation. Nous concluons que, outre leur aptitude de fixation d’azote, l’utilisation efficace du phosphore pour sauver des engrais minéraux et de réduire les risques de pollution et pourrait améliorer la disponibilité des sols P. / The deficiency of soil minerals, particularly phosphorus (P) is a major limitation for growth and development of nitrogen-fixing by legumes. The application of phosphate fertilizers is a traditional practice to meet the needs of plant P. Thus, to test the effectiveness of use of P for symbiotic nitrogen fixation (NSF) under P deficiency, several recombinant inbred lines (RILs) of beans in their contrasting tolerance to P deficiency have been used. The main objective of this study is to assess the ability of these RILs to improve the fertility of soils deficient in phosphorus (P) and its relationship with growth and nodulation of the legume. To achieve these objectives, some experiments were conducted in greenhouses and fields. Under controlled conditions (greenhouse) and uncontrolled conditions (field), the results showed decreasing in soil pH associated with Proton release H+ and P acquisition. The increasing in available P had a positive effect on nodulation and growth of some RILs tested. Also, improving the ability of these RILs to fix atmospheric nitrogen and release H+ by nodulated roots were quantified in a controlled environment. Thus the decreasing in soil pH has reduced the un-availability of P in soil solution by transforming it into a bio-available form to the plants. In addition, the results showed significant differences between RILs in biomass and nodulation as observation in sites. We conclude that, in addition to their ability to fix nitrogen, effective use of phosphorus to save mineral fertilizer and reduce the pollution risks and could improve the availability of soil P.

La respiration anaérobie peut être un trait essentiel dans le mode de vie, la colonisation de l'environnement et la survie. Jusqu'à présent, la seule respiration anaérobie confirmée chez Agrobacterium spp. est la dénitrification. De façon intéressante, cette voie est inégalement répandue chez les agrobactéries. Ces observations m'ont amené à mon hypothèse, à savoir la respiration anaérobie et notamment la dénitrification pourraient expliquer la coexistence d'agrobactéries et leur distribution dans des niches spécifiques de la rhizosphère. Ma thèse visait à explorer les stratégies de respiration anaérobie d’Agrobacterium spp. et de les relier à l'adaptation de niche écologiques différentes. Les objectifs de ma thèse étaient (1) de caractériser tous les gènes impliqués dans la dénitrification chez A. fabrum C58 in vitro, (2) d'explorer les gènes de la dénitrification nécessaires à la colonisation des racines du maïs et (3) de découvrir de nouvelles respirations anaérobies pendant la colonisation racinaire du maïs (Figure 16). Réaliser des mutants et les tester dans des conditions particulières est le moyen classique de déterminer l'implication d'un gène dans une voie spécifique. Cependant, cette méthode implique une vision à priori et des connaissances solides sur les gènes cibles et ne peut pas être appliquée à toutes les situations. Nous avons alors dû développer une méthode plus adaptée pour identifier les gènes essentiels impliqués dans la croissance dans des conditions anaérobies spécifiques. - Gènes de dénitrification chez A. fabrum C58 in vitro. Pour compléter la voie de dénitrification chez A. fabrum C58 et identifier tous les gènes et régulateurs impliqués dans la dénitrification, nous avons adopté deux stratégies : Premièrement, une vision à priori pour (1) identifier la nitrate réductase impliquée dans la première étape de la dénitrification et (2) valider le rôle d'un ARN non codant dans le contrôle de la dénitrification. Pour ce faire, nous avons construit un mutant napA de A. fabrum C58 et un mutant de l'ARN non codant NopR et nous avons évalué leur croissance et leur capacité à produire du N2O dans des conditions anoxiques. Deuxièmement, pour identifier tous les gènes impliqués dans la dénitrification, nous avons construit une banque de transposons mutants de C58 et testé sa croissance dans des conditions de dénitrification in vitro en présence de nitrate ou de nitrite. - Rôle des gènes de la denitrification de A. fabrum C58 dans la colonisation racinaire du maïs. Il est bien connu que le séquençage de transposons (Tn-Seq) est une méthode très puissante pour déterminer les gènes nécessaires à la croissance bactérienne en présence de leur hôte. Pour déterminer les gènes de dénitrification impliqués dans la colonisation des racines en anoxie, nous avons utilisé la banque construite chez C58 et l’avons inoculée sur les plants de maï cultivées sur un sol fertile et cultivées dans des conditions inondées mimant des conditions anaérobies. Le séquençage des cellules d ‘A. fabrum C58 récupérées mettra en évidence les gènes impliqués dans la colonisation anaérobie de cette niche spécifique. - Découverte de nouvelles voies de respiration anaérobie chez A. fabrum C58. Pour découvrir de nouvelles voies de respiration anaérobie, nous avons mis en place des tests de croissance de C58 dans des conditions anoxiques en présence de sources de C et de N en tant qu'accepteurs terminaux d'électrons. De façon interéssante, en cultivant des souches WT et mutée dans le gène napA au contact de la racine de maïs dans des conditions anoxiques (chapitre 1), nous avons montré une croissance des deux souches. Ce résultats suggère que les exsudats de racine servent d'accepteurs d'électrons terminaux pour la croissance anaérobie de C58. Pour déterminer quels composés exsudés du maïs peuvent servir de TEA, les principaux métabolites ont été identifiés par HPLC et certains ont été testés en tant que TEA dans des conditions anoxiques / Anaerobic respiration may be an essential trait in lifestyle, environment colonization and survival. Until now, the only confirmed anaerobic respiration in Agrobacterium spp. is denitrification. Interestingly, this pathway is unequally widespread among Agrobacteria. These observations led me to my hypothesis which is anaerobic respiration and notably denitrification could explain the coexistence of Agrobacteria and their distribution in specific niches in the rhizosphere. My thesis was undertaken to explore the anaerobic respiration strategies of Agrobacterium spp. and to relate them to niche adaptation. The objectives of my thesis were to (1) characterize all the genes involved in denitrification in A. fabrum C58 in vitro, (2) explore the genes of denitrification that are needed during maize root colonization and (3) discover new anaerobic respirations that occur during maize root colonization (Figure 16). Mutational analysis is the classic way to determine the involvement of a gene in specific pathway. However, this method implies an a priori view and solid knowledge on target genes and cannot be applied for every situation. We have to develop a more adapted method to identify essential genes involved in growth in specific anaerobic conditions. - Denitrification genes in A. fabrum C58 in vitro. To complete denitrification pathway in A. fabrum C58 and identify all the genes and regulators involved in the denitrification function, we adopted two strategies: Firstly, an a priori view to (1) identify the nitrate reductase involved in the first step of denitrification and (2) validate the role of a non-coding RNA in denitrification control. To do so, we constructed a mutant of napA of A. fabrum C58 and a mutant of the non-coding RNA NopR and we evaluated their growth and capacity to produce N2O under anoxic conditions. Secondly, to identify all the genes involved in denitrification, we constructed a mutant transposon library of C58 and tested its growth under denitrification conditions in vitro in the presence of either nitrate or nitrite. - Role of A. fabrum C58 denitrifying genes in the root colonization of maize. It is well known that Transposon-sequencing (Tn-Seq) is a very powerful method to determine genes required for bacterial growth in the presence of their host. To determine denitrifying genes involved in root colonization under anaerobic conditions, we used the library constructed in C58 and performed in planta assays. The mutant library was inoculated on maize plants grown on fertile-ground and cultured under flooded conditions miming anaerobic conditions. Sequencing the recovered A. fabrum C58 cells will evidence the genes involved in this anaerobically specific niche colonization. - Discovery of new anaerobic respiration pathways in A. fabrum C58. To discover new anaerobic respiration pathways, we set-up growth assays of C58 under anoxic conditions in the presence C and N sources as terminal electrons acceptors. Interestingly, by culturing WT and NapA-deficient strains in contact with maize root under anoxic conditions (Chapter 1), we showed growth of both strains, suggesting that root exudates serve as terminal electrons acceptors for anaerobic growth of C58. To determine which maize exuded compounds can serve as TEAs, primary metabolites were identified by HPLC and some were tested as TEAs under the set-up conditions

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques, ubiquistes, potentiellement toxiques et cancérigènes. Dans les sols, la dégradation des HAP est principalement due à l'activité microbienne. Certaines études ont montré que la biodégradation des HAP pouvait être augmentée dans la rhizosphère des plantes où le nombre et l'activité microbienne sont stimulés, grâce aux exsudats racinaires. Cependant les bénéfices des plantes ne sont pas toujours observés, et les exsudats pourraient aussi modifier la biodisponibilité des HAP. Les objectifs de ce travail ont été de mieux comprendre ces interactions sol-plante-microorganismes qui conditionnent le devenir des HAP dans la rhizosphère en suivant notamment (i) les bactéries possédant les gènes codant une HAP-dioxygènase, (ii) les espèces bactériennes impliquées dans la dégradation du phénanthrène, et (iii) la disponibilité et la biodégradation des HAP dans des terres industrielles historiquement contaminées.Les expériences ont été conduites dans des dispositifs à compartiments, lesquels permettent une diffusion des exsudats racinaires dans le sol tout en retenant physiquement les racines, puis en microcosmes avec un ajout d'exsudats racinaires naturels produits à partir d'une culture hydroponique de ray-grass (Lolium perenne, L). Les expériences ont été réalisées dans un premier temps avec du sable en ajoutant du phénanthrène (PHE) et un inoculum bactérien issu d'un sol d'une ancienne cokerie puis directement avec des sols historiquement contaminés en HAP. Les nombres de copies de gènes codant pour l'ADNr 16S et pour des HAP-dioxygènases ont été quantifiés par PCR en temps réel pour estimer la proportion de bactéries dégradantes. Les structures des communautés ont été comparées par électrophorèses (TTGE). En plus de l'analyse des 16 HAP totaux, une extraction non exhaustive des HAP a été réalisée à la cyclodextrine pour en estimer la disponibilité. L'utilisation de la méthode SIP (stable isotope probing) avec du 13C-phénanthrène a permis d'identifier les bactéries directement impliqués sa dégradation dans un sol historiquement contaminé. Les expériences en dispositifs à compartiments ont confirmé que la dissipation du phénanthrène est plus importante lorsque la distance aux racines est plus faible, et montrent que le nombre de copies de gène 16S et de gène de HAP-dioxygénase varie avec l'âge des plantes et du temps de contact des compartiments latéraux avec le tapis racinaire. Mais elles montrent aussi que la dissipation du phénanthrène n'est pas plus importante dans les pots plantés, tandis que dans les expériences en microcosmes une inhibition de la dissipation du PHE a même été observée en présence d'exsudats. La présence d'exsudats racinaires a profondément modifié la structure des communautés dégradant les HAP, et l'expérience SIP a permis d'identifier les bactéries directement impliquées dans la dégradation du 13C-phénanthrène et de montrer qu'elles étaient différentes en présence ou non d'exsudats. En présence d'exsudats, la proportion des bactéries dégradantes dans la population totale est passée de 1 % dans la terre d'origine et dans les traitements sans exsudats à plus de 10 %. Même si les exsudats racinaires ralentissent la dissipation du phénanthrène, en fournissant une source de carbone plus facilement métabolisable, ils ont augmenté la quantité de HAP extractibles à la cyclodextrine dans deux des trois sols historiquement contaminés, suggérant un effet de ceux-ci sur la biodisponibilité des HAP / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are organics pollutants, ubiquitous, toxics and potentially carcinogenic. In soil, PAH degradation is mainly attributed to microbial organism. Several studies have thus reported enhanced PAH degradation in soil in the presence of plants. Rhizospheric soil increase the number et the activity of microorganisms in soil by the release of roots exudates. However, bene?cial effects of plants in the remediation are not always observed and roots exudates could be limited PAH biodegradation. The object of this study was to investigate the fate of PAHs in rhizosphere, following (i) the PAH-dioxygenase genes DNA to quantify the PAH-degrading bacteria, (ii) species implicated in phenanthrene biodegradation, and (iii) PAH availability and biodegradation from industrial soils.Different experimental devices have been designed to study detailed processes in the rhizosphere. First is a compartments devices were a nylon mesh permits diffusion of plant soluble substances towards the adjacent root free compartment as a rhizosphere. Secondly microcosms were enriched with natural roots exudates from hydroponic culture of ray-grass (Lolium perenne L.). In first time, experiments were conducted using sand and bacterial inoculum from an industrially PAH-contaminated soil and then directly with a soil historically contaminated by PAH. The Real-Time PCR quantification of 16S rRNA gene copy and of functional PAH-RHD? genes permitted to assess the proportion of a degrading bacteria. Bacterial community structure was approached from Temporal Thermal Gradient gel Electrophoresis (TTGE) fingerprinting, and bands sequencing. Nonexhaustive cyclodextrin-based extraction technique provided a estimate of the ?labile? or available pool of PAH in soil. Use of stable isotope probing (SIP) technique with [13C]phenanthrene allowed a bacterial identification of directly implicated in industrial soil.The presence of exudates modified microbial community of PAH-degrading bacteria. SIP experiment showed that 13C-labelled PHE-degrading bacteria was different depending on the exudates input. Many species having to degrade phenanthrene were able to use exudates. Presence of root exudates increased the proportion of PAH-RHD? genes compared to the bulk soil at the beginning and in microcosms without exudates (respectively 10% and 1 %). However, phenanthene dissipation in sand or soil were weaker with root exudates and aged PAH concentrations has not shifted during incubation time. Nevertheless, the root exudates increased the PAH labile fraction extract with cyclodextrin solution into two in three soils historically contaminated

Les communautés microbiennes du sol peuvent améliorer la croissance de la plante en augmentant la disponibilité en nutriments du sol, favorisant ainsi leur prélèvement par la plante. Dans le contexte d’une production agricole à bas niveau d’intrants, la nutrition de la plante est susceptible de reposer de plus en plus sur les interactions plante-communautés microbiennes de la rhizosphère, qui peuvent être modulées par le génotype de la plante. Pourtant, très peu d’études se sont intéressées aux modifications des communautés microbiennes de la rhizosphère dans leur globalité et ce en relation avec à la fois le génotype et le phénotype de la plante. Ces travaux de thèse ont été consacrés à étudier l’effet du génotype de la plante sur la structure génétique des communautés microbiennes de la rhizosphère en relation avec les stratégies nutritionnelles de la plante.L’interaction plante-communautés microbiennes de la rhizosphère a été évaluée par une approche multidisciplinaire alliant écophysiologie et écologie microbienne. L’effet du génotype de la plante sur la structure génétique des communautés microbiennes de la rhizosphère qui lui sont associées a été analysé par DNA fingerprint. Les différentes stratégies nutritionnelles de la plante ont été analysées par une approche de type structure/fonction prenant en compte la mise en place des structures (feuilles, racines) et leur fonctionnement (photosynthèse, rhizodéposition, prélèvement spécifique d’azote).Dans une première expérimentation réalisée sur sept génotypes de Medicago truncatula, nous avons montré qu’à un stade précoce du développement de la plante, le génotype de Medicago truncatula affectait la structure génétique des communautés bactériennes du sol. En revanche, à ce stade précoce, peu de différences de croissance ont été observées entre les différents génotypes étudiés. Ces derniers ont par contre présenté des stratégies nutritionnelles contrastées. Les descripteurs fonctionnels sont donc plus efficaces que les descripteurs structurels pour discriminer les génotypes de plantes à un stade précoce du développement de la plante. De plus, nous avons montré un lien entre les stratégies nutritionnelles de la plante et la sélection des communautés bactériennes associées. Cette étude nous a également permis de développer un cadre d’analyse écophysiologique appliqué à l’étude des interactions plante-communautés microbiennes de la rhizosphère.Outre l’effet majeur du génotype de la plante dans les interactions plante-communautés bactériennes de la rhizosphère, nous avons également montré qu’il y avait un effet important de l’environnement, comme la disponibilité en azote minéral du sol. En effet, la disponibilité en azote minéral du sol a affecté la structure génétique des communautés bactériennes rhizosphériques via un effet indirect de la plante dépendant du génotype considéré. Les effets des différents génotypes de Medicago truncatula et de leurs stratégies de réponses à des contraintes environnementales, comme la disponibilité de l’azote du sol, se sont révélées être des composantes majeures de la sélection des communautés microbiennes. [...] / The soil microbial communities can improve plant growth by increasing soil nutrient availability, thereby promoting their uptake by the plant. In an overall context of input reduction, the plant nutrition should be increasingly based on plant- rhizosphere microbial communities’ interactions. Yet, very few studies have examined the entire rhizosphere microbial communities in relationship with both plant genotype and phenotype. The aim of this thesis was to study the plant genotype effect on the rhizosphere microbial communities in relationship with the plant nutritional strategies.To do so, the plant-rhizosphere microbial communities’ interaction was assessed by a multidisciplinary approach combining ecophysiology and microbial ecology. The plant genotype effect on the genetic structure of the associated rhizosphere microbial communities was analyzed by DNA fingerprinting. The different plant nutritional strategies were analyzed by a structural/functional approach taking into account both structure establishment e.g. leaves and functions e.g. photosynthesis.In a first experiment carried out on seven genotypes of Medicago truncatula, we showed that the Medicago truncatula genotype affected the genetic structure of the rhizosphere bacterial communities very early relatively to the plant development stages. However, at this early stage, few growth differences could be observed among the different genotypes. Yet, those genotypes presented contrasted nutritional strategies. Therefore, the functional descriptors were more efficient than the structural ones to discriminate plant genotypes at an early developmental stage. In addition, we showed that a link existed between the plant nutritional strategies and the rhizosphere bacterial communities selection. Finally, this study enabled to develop a multidisciplinary framework applied to the study of the plant- rhizosphere microbial communities’ interactions.In addition to the plant genotype effect, we showed that there is an environmental effect e.g. soil mineral nitrogen availability on the rhizosphere bacterial communities. Indeed, the soil mineral nitrogen availability affected the genetic structure of the rhizosphere bacterial communities via an indirect effect of the plant depending on its genotype. The effects of the different Medicago truncatula genotypes and their response strategies to environmental constraints (soil mineral nitrogen availability), proved to be a major component of the selection of the rhizosphere microbial communities.In order to identify the genetic determinisms of the interaction between the plant and the rhizosphere microbial communities, a second experiment was conducted on a core collection of 184 genotypes of Medicago truncatula. Initial results enabled to identify and characterize four groups of genotypes with contrasted phenotypes for their growth and their specific nitrogen uptake. Thanks to high-throughput sequencing, we will analyze the rhizosphere microbial communities’ diversity associated with the different Medicago truncatula genotypes. These results should determine if the plant genotype influences the selection of beneficial rhizosphere microbial communities. Moreover, when the whole genome sequencing data would be available for the 184 genotypes of the Medicago truncatula core collection, a genome-wide association study will be proceed. The creation of plant ideotypes, which will promote beneficial interactions with rhizosphere microbial communities, will be possible. Plant growth and yield will be improved without the concomitant increase of agricultural inputs.

La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. [...] / Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being

Depuis l’apparition de la vie sur terre, les pressions de sélection liées aux interactions biotiques et abiotiques ont généré une forte diversité des formes de vie. Ainsi, chaque espèce eucaryote coévolue avec sa communauté microbienne associée. Dans le cas des plantes, la diversité génétique se traduit au niveau de multiples traits phénotypiques (exsudation de substrats carbonés, architecture racinaire, densité et aération du sol, acidification, etc.) susceptibles d’influer sur les interactions avec les populations microbiennes du sol, et donc sur la composition et le fonctionnement de la communauté microbienne rhizosphérique. Notre hypothèse est que les différences entre communautés bactériennes rhizosphériques sont proportionnelles aux distances évolutives entre partenaires végétaux. L’objectif de cette thèse était donc de déterminer l’importance, dans le cas des Poacées et notamment du maïs, de l’histoire évolutive de la plante dans la capacité de sélection des communautés bactériennes de la rhizosphère. Les analyses faites à l’aide d’une puce à ADN taxonomique 16S indiquent que la composition de la communauté rhizobactérienne dépend du groupe génétique de maïs mais n’est pas liée aux marqueurs microsatellites de diversité du maïs. Par contre, à l’échelle des Poacées, une corrélation a été trouvée entre la phylogénie végétale et la composition de la communauté bactérienne (voire la prévalence de taxons bactériens particuliers). Cette corrélation n’était pas significative quand l’étude était limitée à l’effectif, le niveau de transcription de nifH ou la diversité du groupe fonctionnel des bactéries fixatrices d’azote. En conclusion, l’histoire évolutive du partenaire végétal à l’échelle des Poacées (mais pas à celle du maïs) est un facteur conditionnant les interactions avec les groupes bactériens taxonomiques (mais pas nécessairement fonctionnels) de la rhizosphère / Since the emergence of life on earth, the selection pressures related to biotic and abiotic interactions generated a high diversity of life forms. Thus, each eukaryotic species co-evolved with its associated microbial community. In the case of plants, genetic diversity is reflected in many phenotypic traits (exudation of carbon substrates, root architecture, soil density, aeration, acidification, etc.), and may influence interactions with soil microbial populations and hence the composition and functioning of the rhizosphere microbial community. Our hypothesis is that the differences between rhizosphere bacterial communities are proportional to evolutionary distances between plants partners. The objective of this thesis was to determine the importance, in the case of Poaceae and in particular of maize, of the evolutionary history of plant in the selection of bacterial communities in the rhizosphere. Analyses performed using a 16S taxonomic microarray indicated that the composition of the rhizobacterial community depends on the genetic group of maize but is not linked to microsatellite diversity of maize. Conversely, across the Poaceae, a correlation was found between plant phylogeny and the composition of the bacterial community (and the prevalence of specific bacterial taxa). This correlation was not significant when the study was limited to the size, the level of transcription or nifH diversity of the functional group of nitrogen-fixing bacteria. In conclusion, the evolutionary history of the plant partner across the Poaceae (but not maize) is a factor conditioning interactions with bacterial taxonomic groups (but not necessarily functional groups) in the rhizosphere

En contexte équatorial, les sédiments intertidaux sont colonisés par un continuum écologique allant de vasières en cours de stabilisation à des sols colonisés par divers faciès de mangroves. Les fonctions microbiennes édaphiques de ces écosystèmes sont méconnues. Ces recherches ont donc eu pour objectif de définir les facteurs de contrôle et de variabilité spatio-temporelle des fonctions microbiennes des milieux estuariens et littoraux de Guyane française. Elles ont été conduites sur divers stades de colonisation biologique de ces habitats et à diverses échelles spatio-temporelles en tenant compte du rôle de l'instabilité hydro-sédimentaire et des variabilités induites par les saisons hydro-climatiques. Différents facteurs pouvant influencer les fonctions microbiennes ont été considérés : i) la qualité chimique (RMN solide du 13C) de la MOS en fonction de la composition des formations végétales et de leurs stades de développement ; ii) les caractéristiques physico-chimiques des sédiments et des eaux interstitielles en fonction de la localisation des divers faciès de mangroves. Les résultats ont mis en évidence l'importance des instabilités hydro-sédimentaires dans la mise en place et la structuration des fonctions microbiennes sédimentaires de Guyane. En outre, pour les différents modèles étudiés, les facteurs de structuration sont apparus variables. Néanmoins, la MO, en termes de quantité et de qualité, s'est révélée être un facteur prépondérant pour l'expression de ces fonctions des stades allant de la vasière nue à la jeune mangrove. En revanche, il est apparu plus difficile de discerner des facteurs structurants génériques pour les divers faciès de mangroves matures. / Under equatorial conditions, coastal sediments of intertidal mudflats form an ecological continuum, from bare mud being stabilized to soil settled by various mangrove facies. Edaphic microbial functions of terrestrial ecosystems are extensively documented; on the contrary, this is not the case with regards to sedimentary environment. This study had the main objective defining the drivers of the spatiotemporal variability of microbial functions (aerobic respiration, metabolic diversity, and enzyme activities) in coastal sediments of French Guiana. These researches were carried out according to biological colonization states (mudflats, pioneer and mature mangroves) and using various spatiotemporal scales considering the fundamental role of the hydro-sedimentary instability and potential variability due to hydro-climatic seasons. Different factors which can influence microbial functions were studied: i) the chemical quality (13C solid-state NMR) of OM with respect to vegetation presence and composition, and its development state; ii) the physicochemical characteristics of sediments and porewaters according to localization and topography of the different mangrove facies. Generally, results showed the importance of hydro-sedimentary instability for the establishment and structuring of microbial functions. Moreover, giving the different models, structuring factors were variables. However, OM, in terms of quantity and quality, was overriding for the expression of these functions and this was true for the evolution states from mudflat to young mangrove. By contrast, it appeared much more difficult discerning generalizable drivers for mature mangroves.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants persistants retrouvés majoritairement dans l’environnement, qui sont reconnus comme hautement toxiques pour les organismes vivants. Les nombreux travaux réalisés sur les mécanismes contrôlant l’évolution des HAP dans le sol et dans la rhizosphère ont mis en exergue le rôle majeur de la biodégradation par les microorganismes et de la sorption aux constituants du sol. Néanmoins, un manque d’informations persiste concernant le devenir de ces HAP dans le sol, et plus particulièrement leur localisation dans les compartiments du sol ainsi que la nature et le comportement des composés issus de leur dégradation. La thèse avait donc comme principaux objectifs : (a) la localisation des HAP et des produits dérivés dans les compartiments du sol (matières organiques, phases minérales, microorganismes et plante), et (b) la quantification et l’identification des composés organiques formant les résidus liés du sol. Pour cela, nous avons couplé deux approches:(i) le suivi d’un HAP modèle marqué, le 13C-phénanthrène (13C-PHE), dans un sol artificiellement contaminé planté et non planté pour notamment déterminer par IRMS et NanoSIMS la distribution du C issu du PHE dans les compartiments et pour identifier les composés dérivés du 13C-PHE par 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) le suivi d’une contamination ancienne et récente en HAP dans un sol historiquement contaminé pour étudier l’influence des matières organiques et des phases minérales (séparées par un fractionnement densimétrique) dans la rétention des HAP. Plus de 40% du C issu du 13C-PHE est retenu dans le sol après 14 jours de croissance du ray-grass. L’enrichissement en 13C observé dans la plante est du même ordre que celui du sol (E13C ≈ 0.04 % at.) démontrant une incorporation homogène du 13C-PHE entre la plante et le sol. Cet enrichissement global dans la plante est confirmé par les images NanoSIMS réalisées sur les racines. Des hotspots en 13C ont également été observés dans la rhizosphère, et à partir de leur taille, leur forme et leur composition élémentaire en C, N et S ils ont été identifiés comme étant des bactéries, ce qui met en avant leur rôle dans la dynamique des HAP du sol. Dans le sol industriel, la majorité des HAP est retrouvée dans les MO non complexées aux minéraux. En revanche, les HAP fraîchement ajoutés se sont significativement liés aux associations organo-minérales composées de quartz, de feldspaths et de phyllosilicates / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are major persistent pollutants in the environment that are recognized as highly toxic to living organisms. Numerous studies were carried out on the fate of PAHs in soil and in plant rhizosphere and highlighted the major contribution of biodegradation processes and of the sorption to soil constituents. However, a lack of knowledge remains about the fate of PAHs in the soil and especially their location in soil compartments as well as the nature and the behavior of degradation products. The main objectives of the thesis were: (a) to localize PAHs and their derived products within soil compartments (organic matter, minerals, microorganisms and plant), and (b) to quantify and identify the organic compounds forming bound residues. For this purpose, we used two approaches: (i) the monitoring of a labeled PAH, the 13C-phenanthrene (13C-PHE), in a spiked soil planted or not to determine by IRMS and NanoSIMS the 13C-distribution into compartments and to identify derived compounds of 13C-PHE by 13C-RMN et TD/pyGCMS. (ii) the distribution and localization of aged and freshly spiked PAH contamination in a brownfield soil to study the impact of organic matter and minerals (using soil densimetric fractionation) in the PAH retention. More than 40% of C from 13C-PHE remained in the soil after 14 days of ryegrass growth. The 13C-enrichment in plant tissue was similarly to the soil enrichment (E13C ≈ 0.04 at.%) indicating uniform uptake of 13C-PHE between the soil and plant. NanoSIMS images acquired for roots confirmed this global enrichment in the plant. 13C-Hospots were also observed in the rhizosphere, and on the basis on their size, their shape and their elemental composition in C, N and S, they were identified as bacteria, which emphasize their contribution to the fate of PAHs in soil. In the industrial soil, most of the PAHs were found attached to the free OM. However, the freshly spiked PAHs in the soil were significantly associated with organo-mineral associations containing quartz, feldspars and phyllosilicates

Ce projet explore l’hypothèse selon laquelle les gènes et les métabolites végétaux communément régulés joueraient un rôle majeur dans l’interaction riz-PGPR et constituerait une signature moléculaire de la perception des PGPR par le riz. Dans cet objectif, une analyse intégrant le suivi de l’expression d’une sélection de gènes ainsi que le profilage des métabolites secondaires a été conduite sur les racines d’un unique cultivar de riz (Nipponbare) en réponse à l’inoculation de dix souches de PGPR appartenant à divers genres bactériens (Azospirillum, Herbaspirillum, Paraburkholderia). Nos résultats ont permis l’identification de quatre gènes de riz pouvant être considérés comme marqueurs de l’association riz-PGPR, avec notamment deux gènes impliqués dans la biosynthèse de phytoalexines et un gène codant pour une protéine PR (pathogenesis-related). De plus, une signature métabolique commune, constituée de neuf composés, a été mise en évidence, dont la réduction de l’accumulation de trois alkylrésorcinols et l’augmentation de l’accumulation de deux amides d’acides hydroxycinnamiques (HCAA) : la N-p-coumaroylputrescine et la N-féruloylputrescine. Cette signature métabolique a été corrélée avec l’augmentation de l’expression de deux gènes impliqués dans la biosynthèse de la N-féruloylputrescine. Il est intéressant d’observer que la confrontation du riz à un pathogène bactérien entraine une réduction de l’accumulation de ces HCAA dans les racines. Cette accumulation d’HCAA, qui sont des composés antimicrobiens potentiels, pourrait être considérée comme une réaction primaire de la perception de bactéries par le riz / Besides, a common metabolomic signature of nine compounds was highlighted, with the reduced accumulation of three alkylresorcinols and increased accumulation of two hydroxycinnamic acid amides (HCAA), identified as N-p-coumaroylputrescine and N-feruloylputrescine. This coincided with the increased transcription of two genes involved in the N-feruloylputrescine biosynthetic pathway. Interestingly, exposure to a rice bacterial pathogen triggered a reduced accumulation of these HCAA in roots. Accumulation of HCAA, that are potential antimicrobial compounds, might be considered as a primary reaction of rice to bacterial perception