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.

Soil structural stability plays a pivotal role in landscape preservation when a protective vegetation cover is lacking. For example, under semiarid climates seasonal rainfall cannot sustain a full vegetation cover, but still causes soil erosion. With the loss of (fertile) soil material, ecosystem productivity reduces and less C can be stored. In natural semiarid systems, soil erosion is a spatially heterogeneous process, whereby local highly erodible spots are alternated by improved soil structure under the sparse canopy cover, creating a very heterogeneous landscape. Although the physical protection by the plant canopy is well understood, the potential influence of soil archaea and bacteria on soil structural stability in relation to plants and parent material is less well known. Mainly from studies under controlled conditions, we know that certain archaeal and bacterial species have the ability to produce extracellular polymeric substances (EPS), forming an extracellular matrix. As the formed matrix connects soil particles, EPS seem to have the potential of playing a substantial role in soil aggregation, thereby controlling soil erodibility. Little is known of this gluing process by EPS and its importance under natural conditions as most evidence is derived from controlled conditions in the laboratory. This dissertation aims to unravel the role of EPS from soil archaea and bacteria in soil aggregate stabilization in semiarid grasslands by considering the potential role of plant species and parent material in this process. The sparse vegetation in semiarid grasslands provide a useful gradient in soil organic C contents to study these processes. Improved conditions for soil microbes producing EPS can be found at the root surface, while the bare canopy interspaces lack in C/resources. Two sites were selected in southeast Spain, mainly differing in graphitic C, inorganic C and nitrogen contents. On both sites, soil adjacent to the widely occurring Anthyllis cytisoides legumes shrubs and Macrochloa tenacissima grass tussocks were sampled during two campaigns. The first sampling campaign in April 2017 focused on the top soil, whereby a distance gradient from the plant stem to the bare intercanopy area was sampled. The second sampling campaign in April 2018 focused more on the effect of plant roots on soil archaeal and bacterial communities by including the rhizosphere. As the parent material of the Rambla Honda site, i.e. one of the study sites, contains a substantial amount of graphitic C, several methods were tested to quantify the different types of C in these soils to understand their role in shaping EPS contents. Furthermore, the quantification of graphitic C contents opened the possibility to study a potential interaction between graphite minerals and microbes. Although graphitic C contents explained part of the variances in microbial community, no direct link with EPS-saccharide contents was found. EPS contents were relative high in the rhizosphere, most notable at the legumes shrub Anthyllis cytisoides, and were linked to the enrichment of N-fixing bacteria. However, outside the root influenced soil, EPS contents were still substantially high, whereby the abundance of microbial species, previously associated to biofilm formation in other environments, indicated that EPS synthesis is not only restricted to the rhizosphere. Soil aggregation was linked to EPS-saccharide contents, whereby two mechanisms were hypothesized. Firstly, the strong link between soil wettability and EPS-saccharide content in the soil of the carbonate poor Rambla Honda site, indicated that aggregates become stabilized by hydrophobic bonds created by the EPS. Secondly, results from the carbonate rich Alboloduy site indicates that EPS has a facilitating role in creating stable aggregates by precipitating carbonates on the EPS structure. This likely lead to a higher soil structural stability, as carbonate bindings are more stable when prolonged drought reduces soil biological activity and thereby EPS contents. Overall, EPS play a substantial role in soil aggregate stabilization in semiarid grasslands, whereby EPS contents were increased by legume plants, by means of enriching EPS producing bacteria. / Die Stabilität der Bodenstruktur spielt eine entscheidende Rolle in der Erhaltung der Landschaft, insbesondere wenn keine schützende Vegetationsbedeckung vorhanden ist. So ist beispielsweise unter semiariden Klimabedingungen wegen der Saisonalität der Niederschläge keine vollständige Vegetationsbedeckung vorhanden, was Bodenerosion verursacht. Durch den Verlust von (fruchtbarem) Bodenmaterial verringert sich die Produktivität des Ökosystems. Dadurch kann weniger Kohlenstoff (C) im Boden gespeichert werden. In natürlichen semiariden Systemen ist die Bodenerosion ein räumlich heterogener Prozess, bei dem sich stark erosionsanfällige Stellen mit solchen Bereichen abwechseln, welche durch günstige Bodenstruktur unter der spärlichen Pflanzendecke gekennzeichnet sind. Hierdurch entsteht eine sehr heterogene Landschaft. Während zum physikalischen Schutz durch Vegetationsüberschirmung viele Erkenntnisse vorliegen, ist über den möglichen Einfluss von Archaeen und Bakterien auf die strukturelle Stabilität des Bodens in Bezug auf Pflanzen und Ausgangsmaterial weit weniger bekannt. Hauptsächlich aus Studien unter kontrollierten Bedingungen wissen wir, dass bestimmte Archaen- und Bakterienarten die Fähigkeit besitzen, extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) zu produzieren, die eine extrazelluläre Matrix bilden. Da die gebildete Matrix Bodenpartikel verbindet, scheint EPS das Potenzial für eine maßgebliche Beeinflussung der Bodenaggregation zu haben und dadurch die Erosionsanfälligkeit zu steuern. Über solche Klebemechanismen von EPS und deren Bedeutung unter natürlichen Bedingungen ist aber wenig bekannt; die meisten Hinweise stammen aus kontrollierten Bedingungen im Labor. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Bedeutung von EPS von Archaeen und Bakterien hinsichtlich der Stabilisierung von Bodenaggregaten in semiariden Graslandschaften unter Berücksichtigung der möglichen Rolle von Pflanzenarten und Ausgangsmaterial in diesem Prozess aufzuklären. Zur Untersuchung solcher Prozesse bietet die spärliche Vegetation in semiariden Graslandschaften einen zweckdienlichen Gradienten bezüglich des Gehalt an organischem C im Boden. Günstige Bedingungen für EPS-produzierende Bodenmikroorganiosmen sind an der Wurzeloberfläche zu finden, während dem unbedeckten Boden zwischen Stellen ohne Pflanzenbedeckung C / Ressourcen fehlen. Es wurden zwei Standorte in Südostspanien ausgewählt, die sich hauptsächlich in den Gehalten an graphitischem C, anorganischem C und Stickstoff unterscheiden. An beiden Standorten wurden im Rahmen von zwei Feldkampagnen Böden in unmittelbarer Nähe zu der weit verbreiteten Leguminosenart Anthyllis cytisoides-Hülsenfrüchten und Grasbüscheln von Macrochloa tenacissima beprobt. Die erste Probenahmekampagne im April 2017 konzentrierte sich auf den obersten Boden, wobei ein Abstandsgradient vom Pflanzenspross zum unbedeckten Boden zwischen der Pflanzendecke beprobt wurde. Die zweite Probenahmekampagne im April 2018 konzentrierte sich mehr auf die Wirkung von Pflanzenwurzeln auf Archaeen- und Bakteriengemeinschaften durch Beprobung der Rhizosphäre. Am Rambla Honda-Standort enthält das Ausgangsmaterial eine erhebliche Menge an graphitischem C. Deshalb wurden verschiedene Methoden getestet, um die verschiedenen Arten von C in diesen Böden zu quantifizieren und ihre Rolle bei der Gestaltung des EPS-Gehalts zu verstehen. Darüber hinaus eröffnete die Quantifizierung des graphitischen C-Gehalts die Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Graphitmineralen und Mikroorganismen zu untersuchen. Obwohl der Gehalt an graphitischem C einen Teil der Varianzen in der mikrobiellen Gemeinschaft erklärte, wurde kein direkter Zusammenhang mit dem EPS-Saccharidgehalt gefunden. Die EPS-Gehalte waren in der Rhizosphäre relativ hoch - am deutlichsten bei der Leguminosenart Anthyllis cytisoides - und mit der Anreicherung von N-fixierenden Bakterien verbunden. Außerhalb des von der Wurzel beeinflussten Bodens war der EPS-Gehalt jedoch immer noch deutlich erhöht. Dabei wies die Häufigkeit von Mikroorganismenarten, die zuvor mit der Bildung von Biofilmen in anderen Umgebungen in Verbindung gebracht wurden, darauf hin, dass die EPS-Synthese nicht nur auf die Rhizosphäre beschränkt ist. Die Bodenaggregation zeigte eine Verbindung mit dem EPS-Saccharidgehalt auf, wobei zwei Mechanismen angenommen wurden: Erstens wies der starke Zusammenhang zwischen der Bodenbenetzbarkeit und dem EPS-Saccharidgehalt im Boden des karbonatarmen Rambla Honda-Standorts auf eine Aggregatstabilisierung durch EPS-erzeugte hydrophobe Bindungen hin. Zweitens zeigen die Ergebnisse des Standorts Alboloduy-Standorts mit karbonatreichem Boden, dass EPS eine unterstützende Funktion bei der Erzeugung stabiler Aggregate besitzt, indem Karbonate auf der EPS-Struktur ausgefällt werden. Dies führt wahrscheinlich zu einer höheren Stabilität der Bodenstruktur, da Karbonatbindungen stabiler sind, wenn eine längere Trockenheit zu einer Verringerung der biologischen Aktivität im Boden und damit des EPS-Gehalts führt. Insgesamt spielt EPS eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung von Bodenaggregaten in semiariden Graslandschaften, wobei der EPS-Gehalt durch Leguminsosen, mittels Anreicherung von EPS-produzierenden Bakterien, erhöht wurde.

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Die Wurzelwasseraufnahme aus dem Boden wird durch die Rhizosphäre beeinflusst. Die Rhizosphäre ist eine dünne Bodenschicht, die sich um Wurzeln herum bildet. Die Rhizosphäre wird durch Mucilage beeinflusst. Mucilage ist ein polymeres Gel, was von Wurzeln abgesondert wird und vor allem die hydraulischen Eigenschaften der Rhizosphäre verändert. Wenn es im Kontakt mit Wasser ist, kann Mucilage große Mengen an Wasser aufnehmen, aber wenn es trocken ist, wird seine Oberfläche hydrophob. Hier konzentrieren wir uns auf den Effekt von Mucilage auf die hydraulischen Eigenschaften des Bodens. Zunächst präsentieren wir experimentelle und numerische Studien, die die hydraulischen Prozesse in der Rhizosphäre nach der Bewässerung von trockenem Boden beschreiben. Bei Mucilagekonzentrationen, die niedriger als ein gewisser Schwellwert waren, konnte Wasser durch die Rhizosphärenschicht fließen, über dieser Konzentration wurde die Schicht wasserundurchlässig während der ersten Minuten bis zu Stunden nach Bewässerung. Wir präsentieren eine analytische Abschätzung der Mucilagekonzentration an der Perkolationsschwelle als Funktion von mittlerer Teilchengröße und Bodenwasserpotential nach Bewässerung. Die Abschätzung wurde an Hand von Experimenten des kapillaren Aufstiegs in Bodensäulen validiert. Wir entwickelten ein effektives Model um zu beschreiben, wir Mucilage die hydraulischen Funktionen des Bodens verändert: (a) Quell- und Trocknungsprozesse von Mucilage resultieren in Nicht-Gleichgewichtsdynamiken zwischen Wassergehalt und Wasserpotential, (b) die Präsenz von Mucilage im Boden reduziert das Wasserpotential bei einem gegebenen Wassergehalt und (c) Mucilage ist viskos und reduziert dadurch die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens bei einem gegebenen Wassergehalt. In Experimenten mit Boden-Mucilage-Mischungen testeten wir das Model und wandten es an, um Beobachtungen von früheren Experimenten mit echten Pflanzen zu simulieren, die veränderte hydraulische Dynamiken in der Rhizophäre zeigen. Im Anhang dieser Arbeit sind zwei Studien zur Wärmeausbreitung von Erdkabeln. Hier können hydraulische Dynamiken autreten, die dem radialen Wasserfluss zu einer einzelnen Wurzel ähneln.

Mikrobielle Hotspots zeichnen sich durch erhöhte mikrobielle Biomasse und Aktivität im Vergleich zum Gesamtboden aus. Sie umfassen nur einen sehr kleinen Teil des Bodenvolumens, indem jedoch die meisten für Stoffkreisläufe relevanten mikrobiellen biogeochemischen Prozesse ablaufen. In mikrobielle Hotspots sind Prozessraten erhöht, wie beispielsweise verkürzte Umsatzzeiten der organischen Substanz und eine erhöhte Nährstoffmobilisierung im Vergleich zum Gesamtboden. Eine verbesserte Verfügbarkeit von niedermolekularen organischen Substanzen im Vergleich zum Gesamtboden stimuliert das Wachstum und die Aktivität von Bodenmikroorganismen. Mikrobielle Hotspots entstehen in Bodenkompartimenten, die durch Rhizodeposition, den Eintrag von Wurzelstreu, den Eintrag von nährstoffreichem Material von der Bodenfauna und die Auswaschung von organischen Verbindungen aus dem Oberboden einen erhöhten Substrateintrag aufweisen. Im Boden stellen die Rhizosphäre sowie Bioporen wichtige mikrobielle Hotspots dar. Speziell im nährstoffarmen Unterboden sind mikrobielle Hotspots wichtig, da die Nährstoffe in den Hotspots im Vergleich zum Gesamtboden für Pflanzen besser verfügbar sind. Im Rahmen dieser Dissertation wurden 1) mikrobielle Hotspots anhand molekularer Proxies unterschieden; und 2) das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung von mikrobiellen Hotspots im Unterboden untersucht; darüber hinaus wurde 3) die mikrobielle Umsetzung des wurzelbürtigen Kohlenstoffs entlag eines Teifengradienten bis in 105 cm Tiefe bestimmt; und 4) die räumliche Ausdehnung der mikrobiellen Hotspots im Ober- und Unterboden anhand der Verteilung und anhand des Umsatzes von wurzelbürtigem Kohlenstoff, sowie anhand von sich ausbildenden pH, Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten von der Wurzeloberfläche in den Gesamtboden bestimmt. Im Rahmen eines Feldexperimentes wurde Luzerne (Medicago sativa L.) zwei Jahre lang auf einem Haplic Luvisol angebaut. Drilsophäre, Rhizosphäre und der Gesamtboden wurden in 15 cm Intervallen bis in eine Tiefe von 105 cm beprobt, um mikrobielle Hotspots anhand von molekularen Proxies zur unterscheiden. Die Proben wurden auf ihre Gehalte an freien extrahierbaren Fettsäuren untersucht. Dafür wurden aus dem Gesamtlipidextrakt die Fettsäuren durch Festphasenextraktion abgetrennt. Die Differenzierung des organischen Materials aus der Drilosphäre, der Rhizosphäre und dem Gesamtboden wurde mittels einer linearen Diskriminanzanalyse durchgeführt. Desweiteren wurde auf der Versuchsfläche neben Luzerne auch Wegwarte (Cichorium intybus L.) angebaut. Um den Kohlenstoffeintrag von Luzerne und Wegwarte in den Boden entlag eines Tiefengradientens zu vergleichen, wurden je drei Luzerne und drei Wegwarteparzellen nach 110 Tage Wachstum in situ mittels 13CO2 pulsmarkiert. Die Verteilung des assimilierten 13C in Spross, Wurzeln und Bodenkohlenstoffpools sowie die Bestimmungen der jeweiligen Kohlenstoffpoolgrößen ermöglichte es, den Kohlenstoffeintrag bis in eine Bodentiefe von 105 cm zu quantifizieren. In einer Laborstudie wurde die räumliche Ausdehnung mikrobieller Hotspots untersucht. Zu diesem Zweck wurde Luzerne in T-förmigen Gefäßen mit drei Kompartimenten zwei Monate lang kultiviert. Die Gefäße waren entweder mit Ober- oder Unterboden gefüllt. Die Wurzeln konnten nur im mittleren Teil der Gefäße wachsen, da eine Nylongaze sie daran hinderte in die seitlichen Rhizosphärenkompartimente vorzudringen. Unterschiedliche Maschenweiten der Gaze verhinderten entweder nur das Wurzelwachstum oder sowohl das Wurzelwachstum als auch das Eindringen der Hyphen von arbuskulären Mykorrhizapilzen in die Rhizosphärenkompartimente. Die Dynamik und Verteilung von wurzelbürtigem Kohlenstoff in der Rhizosphäre, wurde durch die Markierung der Luzerne mit 14CO2 und anschließende Messung der 14C-Aktivität im gelösten organischen Kohlenstoff und im gesamten organischen Kohlenstoff ermittelt. Um Unterschiede im mikrobiellen Abbau der abgegebenen Substanzen in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre zu bestimmen, wurden die Aktivitäten extrazellulärer Enzyme gemessen. Zur Messung von Sauerstoff- und Redoxpotentialgradienten bei unterschiedlichem Matrixpotenzial in der Ober- und Unterbodenrhizosphäre wurden ein Sauerstoffmikrosensor und Platinelektroden verwendet. Während die relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren von Drilosphäre, über Rhizosphäre bis zum Gesamtboden abnahmen, verhielten sich die Dicarbonfettsäuren genau umgekehrt. Da diese Unterschiede unabhängig von der Bodentiefe waren, konnten diese Proxies zur Unterscheidung der Herkunft des organischen Materials verwendet werden. Mittels einer linearen Diskriminanzanalyse konnte so das organsiche Material mikrobieller Hotspots von dem des Gesamtbodens durch eine lineare Kombination der relativen Gehalte an ungesättigten Fettsäuren und Dicarbonsäuren unterschieden werden. Die unterschiedlichen Quellen des organischen Materials und dessen intensive mikrobielle Überformung veranschaulichen die Komplexität der Prozessse, die zur Entstehung von mikrobiellen Hotspots beitragen. Um diese Prozesse zu untersuchen, wurde das Potential von Vorfrüchten mit Pfahlwurzelsystem zur Ausbildung und Aufrechterhaltung mikrobieller Hotspots im Unterboden analysiert. Dafür wurde der Kohlenstoffeintrag über die Wurzelbiomasse und durch Rhizodeposition sowie die mikrobielle Aufnahme bis in eine Tiefe von 105 cm quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausbildung mikrobieller Hotspots im Unterboden während der ersten Vegetationsperiode durch Luzerne stärker ist als durch Wegwarte. Die Gründe hierfür waren: 1) Ein höherer Biomassezuwachs von Luzerne und 2) eine 8 fach höherere Verlagerung des assimilierten Kohlenstoffs in das Wurzelwachstum sowie in Rhizodeposite im Unterboden durch Luzerne. Unter Luzerne wurde durch den erhöhten Eintrag von leichtverfügbarem Kohlenstoff das mikrobielle Wachstum und der Umsatz an mikrobiellem C im Unterboden erhöht. Dies weist auf höhere Nährstoffumsatzraten und damit auf deren höhere Pflanzenverfügbarkeit hin. Das könnte zu einer verbesserten Nährstoffversorgung der Hauptfrüchte beitragen, wenn deren Wurzeln durch die ehemaligen Luzernewurzelporen im Unterboden wachsen. Im Gegensatz zur Luzerne bildete die Wegwarte den größten Teil ihrer Wurzelbiomasse im Oberboden aus wohin sie auch den größten Teil ihrer Rhizodeposite exsudierte. Aus diesem Grund ist die Wegwarte zumindest in der ersten Vegetationsperiode nicht als Vorfrucht zu empfehlen, um die Nährstoffverfügbarkeit im Unterboden zu verbessern. Um die Relevanz von mikrobiellen Hotspots für Nährstoffkreisläufe besser zu verstehen, ist es notwendig die Ausdehnung des Bodenvolumens mit erhöhten Prozessraten und die Gradienten mit denen diese Prozessraten zum Gesamtboden hin abnehmen zu untersuchen. Dies ermöglichte das oben beschriebene Experiment, bei dem Luzerne in den kompartimentierten Wachstumsgefäßen angezogen wurde. Hierbei zeigte sich, dass die Wurzelexsudation in die Oberbodenrhizosphäre verglichen mit der Exsudation in die Unterbodenrhizosphäre deutlich höher war. Allerdings waren die Gradienten der 14C markierten Wurzelexsudate im gelösten organischen Kohlenstoff von der Wurzeloberfläche in Richtung Gesamtboden steiler als im Unterboden. Da zusätzlich zu dem erhöhten Eintrag und den steileren Gradienten auch die Enzymaktivitäten im Oberboden höher waren, kann von einem erhöhtem mikrobiellem Abbau der Wurzelexsudate im Vergleich zur Unterbodenrhizosphäre ausgegeangen werden. Obwohl erwartet wurde, dass erhöhter mikrobieller Abbau zu einer geringeren diffusiven Ausdehnung der Wurzelexsudate in der Oberbodenrhizosphäre führen würde, war dies nicht der Fall. Sowohl in der Oberboden- als auch in der Unterbodenrhizosphäre wurde 14C aus Exsudaten bis in eine Entfernung von 28 mm im DOC und 20 mm im TOC zur Wurzeloberfläche nachgewiesen. Die Sauerstoffkonzentration nahm in Richtung zur Wurzeloberfläche ab, wobei der Gradient in Ober- und Unterbodenrhizosphäre identisch war. Ein Rhizosphäreneffekt auf die Sauerstoffkonzentration konnte bis in 20 mm Entfernung zur Wurzeloberfläche gemessen werden. Das Matrixpotenzial war ausschlaggebend für die diffusive Nachlieferung von Sauerstoff, und damit für die Aufrechterhaltung der aeroben Respiration in der Rhizosphäre. Bei einem Matrixpotenzial von -200 hPa oder weniger fand keine Hemmung der Respirationsprozesse durch mangelnde O2 Nachlieferung zur Wurzeloberfläche statt. Die auf der Sauerstoffkonzentration beruhenden Veränderungen des Redoxpotentials konnten bis in eine Entfernung von 2 mm zur Wurzeloberfläche erfasst werden. Nur unter ständiger Wassersättigung wurden in der Rhizosphäre schwach reduzierende Bedingungen erreicht. Im Rahmen dieses Dissertation konnte gezeigt werden, dass mikrobielle Hotspots im Boden eine größere laterale Ausdehnung erreichen als bislang angenommen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese Hotspots eine Schlüsselfunktion bei der Erhöhung von Kohlenstoff- und Nährstoffumsätzen besitzen. Daher empfiehlt sich der Anbau von tiefwurzelnden Vorfrüchten mit ausgeprägter C-Verlagerung in den Unterboden, wie beispielsweise Luzerne, um die Nährstoffverfügbarkeit aus dem Unterboden in Agrarökosystemen zu verbessern.

La présente étude porte sur l’évaluation d’une méthode d’acquisition de la solution de sol présente à l’interface sol-racine, dans la rhizosphère. Cette interface constitue le lieu privilégié de prise en charge par les plantes des contaminants, tels que les métaux traces. Comme les plantes acquièrent ces éléments à partir de la phase liquide, la solution de sol de la rhizosphère est une composante clé pour déterminer la fraction de métaux traces biodisponibles. La microlysimétrie est la méthode in situ la plus appropriée pour aborder les difficultés liées à l’échelle microscopique de la rhizosphère. Ainsi, dans les études sur la biodisponibilité des métaux traces au niveau de la rhizosphère, les microlysimètres (Rhizon©) gagnent en popularité sans, toutefois, avoir fait l’objet d’études exhaustives. L’objectif de cette étude est donc d’évaluer la capacité de ces microlysimètres à préserver l’intégrité chimique de la solution, tout en optimisant leur utilisation. Pour ce faire, les microlysimètres ont été soumis à une série d’expériences en présence de solutions et de sols, où la quantité de solution prélevée et le comportement des métaux traces (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) ont été étudiés. Les résultats montrent que les microlysimètres fonctionnent de façon optimale lorsque le contenu en eau du sol est au-dessus de la capacité au champ et lorsqu’il y a peu de matière organique et d’argile. Les sols sableux ayant un faible contenu en C organique reproduisent mieux le volume prélevé et la solution sous la capacité au champ peut être récoltée. L’utilisation des microlysimètres dans ces sols est donc optimale. Dans les essais en solution, les microlysimètres ont atteint un équilibre avec la solution après 10 h de prélèvement. En respectant ce délai et les conditions optimales préalablement établies (pH acide et COD élevé), les microlysimètres préservent la composition chimique de la solution. Dans les essais en sol, cet équilibre n’a pas été atteint après dix jours et huit prélèvements. Le contenu en matière organique et l’activité microbienne semblent responsables de la modification des concentrations en métaux au cours de ces prélèvements, notamment, dans l’horizon FH où les microlysimètres performent très mal. En revanche, dans l’horizon B, les concentrations tendent à se stabiliser vers la fin de la série de prélèvements en se rapprochant des valeurs de référence. Bien que des valeurs plus élevées s’observent pour les microlysimètres, leurs concentrations en métaux sont comparables à celles des méthodes de référence (extrait à l’eau, lysimètres de terrain avec et sans tension). En somme, les microlysimètres se comportent généralement mieux dans l’horizon B. Même si leur utilisation est plus optimale dans un sol sableux, cet horizon est privilégié pour de futures études sur le terrain avec les microlysimètres. / This study focuses on evaluating a method of acquiring soil solution in the soil-root interface of the rhizosphere. The liquid phase of the rhizosphere constitutes the main area where plants absorb contaminants like trace metals. Thus the rhizosphere soil solution is key to determine the amount of bioavailable trace metals. Microlysimetry has been described as the most appropriate in situ method to tackle difficulties inherent to the microscopic scale of the rhizosphere. Despite the lack of an exhaustive evaluation of their performance, microlysimeters have gained popularity for in situ studies on the bioavailability of trace metals. The objective of this study was to evaluate the capacity of microlysimeter to preserve the chemical integrity of the soil solution and also to determine their optimum use conditions. To do this, microlysimeter have been submitted to a series of laboratory experiments with solutions and soils. The volume of solution extracted and trace metals (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) behaviour were studied. Results show that microlysimeters work optimally when soil water content is above field capacity and when the amount of clay and organic matter is low. Sandy soils with low organic carbon content have a better reproducibility for extracted volume and soil solution extraction is possible even when soil water content is below field capacity. Using microlysimeters in this soil type is thus optimal. In solution experiments, microlysimeters reached equilibrium with the control solution after ten hours of extraction. In optimal conditions (acidic pH and high DOC) and after this ten hours period, microlysimeters preserve the chemical composition of the solution. In soil experiments, this equilibrium has not been reached after eight samplings throughout ten days. Organic matter content and microbial activity could be responsible for the modification of concentrations of trace metals during sampling. This is especially true for FH horizon where microlysimeters perform poorly. In contrast, the concentrations reach the reference values toward the end of sampling serie in the B horizon and microlysimeters have a better overall performance in this horizon. Although higher values are observed for microlysimeters, trace metals concentrations are comparable to other extraction methods, specifically for the B horizon. Even if their uses are optimized in sandy soil, the B horizon should be privileged for future field studies involving microlysimeters.

La dissipation des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), polluants persistants majoritaires des sols de friches industrielles, implique l'action de microorganismes bactériens et fongiques. Cependant, leur contribution relative à la dissipation in situ, en fonction des interactions entre ces microorganismes ou avec les plantes et les polluants, est mal connue et les communautés fongiques ont été très peu étudiées dans de tels environnements. L'objectif de cette thèse était de préciser l'écodynamique des HAP dans la rhizosphère sous l'effet des microorganismes et de leurs interactions et d'évaluer la diversité fongique dans des sols contaminés. La dynamique des communautés fongiques a été étudiée in situ pendant 5 années, par PCR en temps réel et Temporal Temperature Gradient Electrophoresis (TTGE), dans un sol historiquement contaminé en présence ou non de plantes et dans le même sol ayant subi un traitement de remédiation par désorption thermique. Les plantes avaient un effet positif sur l'abondance et la diversité des champignons et étaient le facteur déterminant la structure des communautés fongiques, dominées par les Ascomycètes. D'autre part, des souches bactériennes et fongiques ont été isolées de ce sol et testées pour leur capacité à dégrader les HAP in vitro. Parmi celles-ci, la bactérie Arthrobacter oxydans Pyr2MsHM11 et le champignon Fusarium solani MM1 ont été choisies comme souches modèles pour étudier leur action individuelle ou conjointe sur la dissipation de trois HAP, dans différentes conditions, des plus simples (cultures liquides) aux plus complexes (microcosmes de sol planté en présence d'une microflore). Les résultats ont montré l'importance fondamentale des interactions entre microorganismes, notamment des phénomènes de compétition, pour la croissance des souches modèles et pour l'expression de leurs potentiels de dissipation des HAP / The dissipation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), very common and persistant pollutants in soils from industrial wastelands, involve the action of bacterial and fungal microorganisms. However their respective contribution, and the influence of the microbial and plant-microbe interactions on in situ PAH dissipation, are poorly known and fungal communities were scarcely studied in such environments. This work aimed to study the fate of PAHs in rhizosphere under the influence of microorganisms and their interactions and to estimate the fungal diversity in contaminated soils. The dynamic of fungal communities was monitored in situ for 5 years, by real-time PCR and Temporal Temperature Gradient Electrophoresis (TTGE) in an aged PAH-polluted soil and in the same soil treated by thermal desorption. The results showed that plants had a positive effect on fungal abundance and diversity and were the main driver of fungal community structure, dominated by Ascomycetes. Besides, bacterial and fungal strains were isolated from this soil and screened for their ability to dissipate PAHs in vitro. Among them, the bacteria Arthrobacter oxydans Pyr2MsHM11 and the fungus Fusarium solani MM1 were chosen as model strains to study their individual and simultaneous effect on PAH dissipation in different experimental conditions, from liquid cultures to planted soil microcosms with a complex microflora. It was found that interactions between microorganisms, notably competition, had a crucial influence on their growth and on the expression of their PAH dissipation potential

Depuis une trentaine d’années, l’élément soufre (S) est devenu un des éléments les plus limitants pour la croissance des cultures du fait de nombreux facteurs, comme les nouvelles pratiques de gestion des sols et la limitation des pollutions anthropiques. Ainsi, des carences en S apparaissent au sein des cultures et particulièrement en Europe de l’Ouest. Nos objectifs ont été d’appréhender la communauté bactérienne fonctionnelle du sol qui, de par son activité arylsulfatase, permet la minéralisation de la forme majoritaire du S en sulfate (forme de S assimilée par les plantes). D’après nos résultats, la densité de cette communauté bactérienne fonctionnelle est plus importante dans les environnements où le S est potentiellement plus limitant (rhizosphère de colza vs orge). De plus, cette communauté fonctionnelle apparaît diversifiée et est notamment composée de divers genres bactériens affiliés à de nombreuses classes taxonomiques (Actinobactéries, Firmicutes, a-, ß-, d-, ?-protéobactéries et aux Planctomycètes). De plus, au sein de la rhizosphère du colza, des variations temporelles de structure et de diversité de cette communauté fonctionnelle ont également été mises en évidence. En conclusion, l’ensemble des expérimentations semble mettre en évidence, que la communauté bactérienne fonctionnelle minéralisant les esters de sulfate apparaît stimulée sous colza comparée à celle présente sous orge. Ces résultats laissent présager le rôle potentiel de cette communauté fonctionnelle dans le turn-over du S dans les sols agricoles et la mise en place d’approches d’écologie fonctionnelle supplémentaires permettrait de mieux cerner son implication dans la nutrition soufrée des cultures / Over the past thirty years, Sulfur (S) has become one of the most limiting element for crop growth due to many factors, such as new soil management practices and depletion of the anthropogenic pollution. Thus, S deficiencies increase in crops, particularly in Western Europe. Our objectives were to apprehend the soil functional bacterial community which, by its arylsulfatase activity, allows the mineralization of the majority form of S to sulfate (form of S assimilated by plants). Based on our results, the density of the functional bacterial community are higher in environments where S is potentially limiting (rapeseed rhizosphere vs. barley rhizosphere). Moreover, this functional community appeared diverse and belonging to several taxonomic classes (Actinobacteria, firmicutes, a-, ß-, d-, ?-proteobacteria and Planctomycetea). In addition, in the rapeseed rhizosphere, temporal variations of the structure and diversity of this functional community have also been highlighted. In conclusion, our experiments appear to demonstrate that this functional bacterial community mineralizing sulphate esters appeared stimulated in rapeseed rhizosphere compared to that present in barley rhizosphere. However, the establishment of new approaches to allow additional functional ecology bases for this community should be made to allow a better understanding of its potential involvement in sulfur nutrition of crops

A Caatinga, bioma exclusivamente brasileiro, inserido no clima semiárido nordestino, apresenta xerófitas com alta resistência aos períodos de seca. Estas plantas associam-se a micro-organismos que também se encontram bem adaptados, desenvolvendo mecanismos de proteção celular contra o estresse hídrico, assim como proteção vegetal contra os efeitos negativos da dessecação. O presente estudo buscou compreender as bactérias associadas às cactáceas da Caatinga, analisando a estrutura das comunidades bacterianas de solo e da rizosfera de Cereus jamacaru durante a alteração do período chuvoso para o de seca, identificando os grupos dominantes e discutindo algumas funções que possibilitem a manutenção da interação solo-cacto-micro-organismo durante o período de seca. Além disso, buscou selecionar bactérias tolerantes à seca e que fossem capazes de promover crescimento de plantas sob estresse hídrico. Amostras foram coletadas ao longo da Caatinga, em cinco estados: BA, CE, PI, PB e RN totalizando cinco pontos. Com o uso de metodologias independentes de cultivo, foi possível observar que o período de amostragem (chuvoso/seca) foi o principal responsável pela alteração na estrutura das comunidades bacterianas. Os filos Proteobacteria e Bacteroidetes foram abundantes durante o período chuvoso e os filos Actinobacteria e o gênero Bacillus abundantes durante o período de seca. Com o uso de metodologias dependentes de cultivo, foram isoladas com bastante frequência linhagens pertencentes ao gênero Bacillus, capazes de crescer em meio com reduzida atividade de água e com alguns mecanismos de proteção contra a dessecação, como a produção de exopolissacarídeos e biofilme. Além disso, várias linhagens apresentaram mecanismos de promoção de crescimento de plantas diretos e/ou indiretos, como produção de fitohormônio, disponibilização de P por meio de solubilização, fixação de nitrogênio, redução dos efeitos negativos do estresse causados por etileno, produção de celulase e amônia. Uma linhagem de Bacillus sp. foi capaz de promover crescimento de milho sob estresse hídrico, incrementando alguns parâmetros vegetais analisados. São discutidos o uso de consórcio bacteriano entre duas linhagens, além dos mecanismos que os micro-organismos dispõem para tolerar condições ambientais adversas e ainda as funções que estes micro-organismos podem ter na proteção vegetal contra a dessecação. / Caatinga, a Brazilian unique biome, inserted in the semi-arid climate of Brazilian northeast, presents xerophytes with high resistance to drought periods. These plants are found in association with well-adapted microorganisms that have evolved some cellular protection mechanisms against water stress, as well as plant protection against the negative effects of desiccation. This work aimed to study the bacteria associated to some Caatinga cacti, with respect to the structure of bacterial communities of bulk soil and rhizosphere of Cereus jamacaru during the modification of rainy season to dry season, identifying the dominant groups and discussing some functions that enable the soil-cactus-microorganism interaction maintenance during drought. Besides, we searched for drought-tolerant bacteria able to promote plant growth under water stress. Samples were collected along the Caatinga biome in five states: BA, CE, PI, PB, and RN in a total of five points. With unculturable techniques, it was possible to observe that the sampling season (rainy/dry) was the main driver for the modification of bacterial communities\' structure. Proteobacteria and Bacteroidetes phyla were the most abundant during the rainy season while phylum Actinobacteria and Bacillus group were the most abundant during the dry season. With culturable techniques, it was observed a high frequency of strains belonging to genus Bacillus that were able to grow in medium at reduced water activity and displaying some mechanisms of desiccation protection such as the production of exopolysaccharides and biofilm. Furthermore, several strains showed mechanisms of direct and/or indirect plant growth promotion, like the production of fitohormone, availability of P through solubilization, nitrogen fixation, reduction of negative effects caused by stress-induced ethylene, production of cellulase and ammonia. One strain of Bacillus sp. was able to promote maize growth under water stress, increasing some of the analyzed plant parameters. The use of bacterial consortium between two strains, as well as mechanisms displayed by microorganisms under adverse environmental conditions and their functions in plant protection against desiccation are also discussed.