Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

L’étude proposée s’inscrit dans un contexte de contamination croissante de la pédosphère et fait le choix d’appréhender cette problématique via une approche centrée sur la rhizospère et sur les mécanismes gouvernant son évolution. Ces travaux s'intéressent à la relation entre l’uranium – un métal naturel ubiquiste non-essentiel – et le citrate – un acide organique de faible poids moléculaire exsudé par certaines espèces végétales poussant sur un milieu pauvre en phosphore. Parmi ces espèces particulières le lupin blanc (Lupinus albus) fait office de plante modèle. Un sol naturellement riche en uranium prélevé à l’affleurement d’une veine de pechblende a été étudié. L’objectif du travail a été de savoir si l’activité racinaire est suffisante pour provoquer la remobilisation de l’uranium dans la solution du sol et favoriser son transfert. Le système sol/plante a été étudié sur rhizotest et de manière découplée en hydroponie et en réacteurs fermés. Il a été démontré que la présence d’uranium dans un milieu contrôlé (hydroponie) stimule l’exsudation de citrate chez les lupins blancs qui ne sont pas carencés en phosphore et que cette exsudation de citrate favorise la solubilisation de l’uranium dans la solution du sol en réacteurs fermés. Ces résultats ont été confirmés par les observations faites sur rhizotest même si les valeurs obtenues dans ce cas étaient plus nuancées. Ceci justifie les approches utilisées et met en évidence leur complémentarité. Les résultats obtenus ont également permis d’apporter des informations concernant la toxicité de l’uranium, son internalisation dans les cellules racinaires ainsi que sur son transfert des racines aux parties aériennes. / The present study is related to the context of pedosphere contamination increasing and chose to consider this issue through a focus on rhizosphere and mechanisms that govern its evolution. This work is oriented on the relation between uranium – a non-essential ubiquitous metal – and citrate – a low molecular weight organic acid exudated by specific species when grown on a phosphorus-deficient environment. Among these particular species white lupine (Lupinus albus) is considered as a model species. Furthermore, a natural soil containing huge amounts of uranium has been collected at the outcrop of a pitchblende vein and used during some experiments. The main aim of this PhD thesis was to determine if the root activity of white lupine is sufficient to cause the remobilization of uranium into soil solution and so to promote the transfer of this contaminant to the plant. The soil/plant system has been studied with rhizotests and by combining datas obtained with hydroponics experiments and batches tests. It has been demonstrated that the presence of uranium in a controlled growth medium (hydropony) stimulates citrate exudation in P-sufficient white lupine. More, this citrate exudation enhances uranium solubilization in soil solution in batches. These results have been confirmed by observations on rhizotest even if the values in this case were more nuanced. This justifies the employed approaches and highlights their coherence and complementarity. The results also allowed to provide additional information concerning uranium toxicity, its internalization in root cells as well as its transfer from roots to aerial parts.

Comme chez de nombreux protéagineux, l'architecture déterminée a semblé une voie prometteuse pour réduire le développement végétatif et améliorer le rendement et la stabilité du rendement du lupin blanc d'hiver (Lupinus albus L.). Une étude à la fois génétique et physiologique de ce type architecturale et de ses conséquences sur le développement et la mise en place du rendement a donc été entreprise. L'hérédité du caractère d'architecture déterminée est monogénique récessive, ce qui permet une utilisation simple en sélection. Le développement végétatif est réduit car tous les bourgeons passent à l'état floral précocément dans le cycle. Les ramifications portent chacune moins de feuilles que chez les indéterminés, et le nombre de niveaux végétatifs est réduit. La distribution des feuilles sur les ramifications suit un profil caractéristique en forme de cloche. La structure des ramifications a pu être modélisée. Il existe une grande variabilité génétique pour l'architecture, bien que la relation positive entre tardiveté de floraison et développement végétatif soit forte. L'interception de la lumière par le couvert en fonction du temps est similaire chez les déterminés et les indéterminés. Cependant, les déterminés atteignent une interception maximale moins importante en raison de leur développement végétatif restreint. La proportion de lumière qui parvient jusqu'aux feuilles de la tige principale est accrue. Le rendement des génotypes déterminés semble compétitif avec celui des génotypes indéterminés. La production de matière sèche est plus faible mais l'indice de récolte est supérieur. La date de maturité est sensiblement avancée, surtout sous des climats frais et humides, et la stabilité du rendement est plus grande. Ces caractéristiques sont liées à la réduction du développement végétatif, et à une compétition entre développement végétatif et développement reproducteur plus faible que celle observée chez les indéterminés. Le rendement est produit essentiellement sur la tige principale et le premier niveau de ramifications, et ces sites sont moins sujets à des aléas climatiques que les niveaux supérieurs. La variabilité génétique pour les composantes du rendement est large. On met en évidence des relations entre certains caractères d'architecture et les potentialités de rendement. Un développement végétatif trop restreint aussi bien qu'un développement excessif nuisent au rendement. Les caractères de développement des ramifications (nombre de feuilles et nombre de niveaux végétatifs) sont des critères de sélection pertinents chez les lupins déterminés.

Les sols représentent une ressource non renouvelable qui soutient 95% de la production alimentaire mondiale. Cependant, les sols sont de plus en plus impactés par la pollution chimique anthropique, menaçant la santé humaine et l’environnement. Parmi les polluants les plus répandus dans les sols, l'arsenic est aussi l’un des plus dommageables pour la santé humaine, touchant près de 200 millions de personnes dans le monde. Pour limiter la contamination des sols, les approches conventionnelles de remédiation reposent principalement sur l'excavation et l'enfouissement des sols contaminés, mais sont incompatibles avec les grandes surfaces concernées par la contamination chimique, pouvant s’étendre sur des millions d’hectares. Une solution novatrice utilise les plantes et les microorganismes associés pour extraire, dégrader ou stabiliser les contaminants in situ dans une approche dite de phytoremédiation. L'exsudation d'une grande diversité de métabolites des racines dans le sol environnant serait un mécanisme essentiel qui permet aux plantes de tolérer et de détoxifier les contaminants du sol. Cependant, l’environnement chimique de la rhizosphère et les interactions complexes entre les exsudats racinaires et les contaminants restent largement inconnus. L'objectif de cette thèse est de faire progresser la compréhension de l'exsudation racinaire en réponse à la contamination et de son impact sur le devenir de l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 1 rapporte un nouveau système de croissance à petite échelle, hautement reproductible, développé pour capturer et caractériser les exsudats racinaires. En utilisant une analyse métabolomique non ciblée basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse, l’espèce légumineuse Lupinus albus a été examinée pour identifier les différences significatives dans l’exsudation d’un large spectre de composés dans la rhizosphère. Cette approche a révélé les classes prédominantes de composés exsudés et leurs variations en réponse à la contamination, notamment les coumarines, connues pour être impliquées dans les stratégies d'acquisition de nutriments chez les plantes, ainsi que l'exsudation inattendue de phytochélatines, connues pour participer à la complexation et à la détoxification intracellulaire de l'arsenic. Pour confirmer l'exsudation des phytochélatines, une expérience supplémentaire a été menée et a permis de valider l'exsudation des phytochélatines comme mécanisme potentiel de tolérance à l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 2 examine plus en détail les mécanismes d'exsudation des phytochélatines et leurs interactions avec l'arsenic chez Lupinus albus. Grâce à l'inhibition chimique des principales voies de synthèse et d'exsudation des phytochélatines, ce chapitre fournit les premières observations de l’exsudation active de complexes arsenic-phytochélatine chez les plantes, pouvant jouer un rôle critique dans la détoxification de l'arsenic. À partir de ces observations, le chapitre 2 propose une révision du modèle actuel d'efflux d'arsénite des racines et met en évidence l'exsudation de complexes arsenic-phytochélatine comme mécanisme jusque-là inconnu de détoxification chez les plantes. Dans le Chapitre 3, les différentes stratégies employées en réponse à la contamination à l'arsenic chez Lupinus albus et Salix miyabeana sont explorées en profondeur par différents essais en pots et à plus grande échelle, directement sur le terrain. Ces deux espèces, illustrant différents traits fonctionnels importants pour la phytoremédiation, révèlent des adaptations distinctes ainsi que des stratégies d’exsudation conservées en réponse à l'arsenic. Les résultats présentés dans ce chapitre révèlent en particulier le rôle central de l'exsudation de phytochélatines dans la rhizosphère de ces deux espèces, pourtant éloignées phylogénétiquement. Notamment, la découverte de complexes phytochélatine-arsenic dans la rhizosphère des deux espèces souligne l'importance des mécanismes extracellulaires dans la détoxification de l'arsenic chez les plantes. De plus, les mesures sur le terrain soutiennent les implications de l'exsudation des phytochélatines en tant qu’adaptation à l'exposition à l'arsenic en conditions réelles. En résumé, ce chapitre fournit de nouvelles perspectives sur l'interaction complexe entre les plantes et les sols lors de la phytoremédiation de l'arsenic. Dans l'ensemble, cette thèse présente de nouvelles stratégies d'exsudation chez deux espèces phytoremédiatrices majeures et apporte de nouvelles connaissances sur la façon dont l'investissement de ressources dans la rhizosphère peut aider les plantes à tolérer, voire à surmonter, l'effet de la pollution anthropique sur l'environnement. Comprendre ces interactions naturelles est essentiel pour aider à concevoir des stratégies de gestion durables des terres, visant à réduire l'impact à long terme des activités humaines sur les sols. / Soils represent a non-renewable resource supporting 95% of global food production. However, soils face increasing threats from anthropogenic chemical pollution, creating an environmental burden impacting human and environmental health worldwide. Arsenic is one of the most widespread soil contaminants, thought to affect over 200 million people globally and posing substantial threats to public health. To limit contamination of soils, conventional remediation approaches rely on soil excavation and burial, but are incompatible with the extensive problem of soil contamination, often impacting millions of hectares. An innovative solution is to use phytoremediation to harness plants' natural abilities to extract or degrade soil contaminants. The exudation of a wide diversity of metabolites from roots into the surrounding soil is thought to be an essential mechanism used by plants to modify challenging soil environments. However, the extent and variation of root exudation remains largely uncharacterised for many important crops. The objective of this thesis is to advance the understanding of root exudation in response to contamination and how it impacts the fate of arsenic in the rhizosphere. Chapter 1 reports a novel small-scale but highly reproducible growth system developed to capture and characterise root exudates. Using untargeted liquid chromatography-tandem mass spectrometry-based metabolomic analysis, the leguminous crop white lupin (Lupinus albus) was scrutinised to identify significant differences in exuded compounds within the rhizosphere. This approach revealed the predominant classes of exuded compounds in response to contamination, including coumarins, known to be involved in plant nutrient acquisition strategies, as well as unexpected phytochelatin exudation, known to participate in intracellular arsenic complexation and detoxification. A validatory experiment was conducted and confirmed the exudation of phytochelatins as a potential arsenic tolerance mechanism for rhizosphere detoxification. Chapter 2 further investigates the mechanisms of phytochelatin exudation and their interactions with arsenic in Lupinus albus. Through chemical inhibition of key root exudates synthesis and exudation mechanisms, this chapter provides the first evidence that plants actively exude arsenic-phytochelatin complexes, which may function as a critical step for arsenic detoxification and tolerance. From this evidence, Chapter 2 provides a tentative revision of the current model of arsenite efflux from roots and demonstrates that arsenic-phytochelatin exudation may be an active mechanism conferring arsenic tolerance. In Chapter 3, the different strategies employed in response to arsenic contamination in Lupinus albus and Salix miyabeana were extensively scrutinised in larger-scale pot and field trials, to capture the diversity of rhizosphere metabolites within constructed and real-world soils. These species, illustrating different important functional traits for phytoremediation, revealed distinct as well as more conserved root exudate adaptations to arsenic. Most importantly, the findings presented in this chapter reveal a conserved and pivotal role for extracellular phytochelatin exudation in the rhizosphere of these distantly related phytoremediating species. The discovery of phytochelatin-arsenic complexes in the rhizosphere of both species underscores the importance of extracellular mechanisms in plant arsenic detoxification. Furthermore, field assessments supported the real-world implications of phytochelatin exudation as an adaptive response to arsenic exposure. In summary, this chapter provides novel insights into the complex interplay between plants and soils in arsenic phytoremediation. Overall, this thesis presents novel exudation strategies in two major phytoremediation species and brings new knowledge on how investment of resources in the rhizosphere can help plants tolerate, or even overcome, the effect of anthropogenic pollution upon the natural environment. Understanding these mechanisms is vital to devise sustainable land management strategies to reduce the long-term impact of human activity on soils around the world.