>Magister Scientiae - MSc / Approximately 50% of sorghum (Sorghum bicolour (L.) Moench) produced globally is used as human food, with 95% of its total consumption occurring in Africa. Unfortunately, sorghum crops are prone to pathogenic attack, notably leading to a reduction in production yields. Generally, chemical agents are used as fertilizers and/or biocides to increase crop production. However, these chemicals can have a detrimental environmental impact including the eutrophication of fresh water and marine ecosystems. Thus, there is increased interest in plant growth promoting rhizobacteria (PGPR), as an alternative to chemicals, to facilitate eco-friendly biological control of soil-borne pathogens. PGPRs colonize the plant root system (i.e rhizosphere and rhizoplane) and promote growth and production yields essentially via the biological control of plant pathogens and their role in the nutrient cycles (e.g N fixation). The aim of this study is to characterize the microbial communities associated with sorghum in South Africa, and to identify common bacteria which could further be developed and applied to improve sorghum growth and yield. Sorghum rhizospheric environments (rhizoplane and rhizosphere) were collected from three sites characterized by different agricultural practices (Free State, Limpopo and North West). Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and Terminal-restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) were used to identify microbial community molecular fingerprints. Sorghum-associated microbial communities were found to be different in all rhizospheric soil samples which could be explained by differences in soil chemistry, agricultural practices and geographical location. The analyses also clearly demonstrated that the sorghum bacterial community structures were similar in the rhizoplane, indicating the strong influence that the sorghum plant has in determining the rhizoplane colonizers. The archaeal community structure from rhizoplane and rhizosphere in each sampling site were dissimilar, which could be explained by differences in soil type and/or agricultural practices. Both the T-RFLP and DGGE analyses revealed that Bacillus sp. were consistently associated with South African Sorghum, Arthrobacter sp. were detected in the rhizoplane, while Uncultured archaea were detected in the rhizoplane of sorghum. These microorganisms represent valuable targets for engineering to promote growth and yield in sorghum.

In this study, the phytoremediation techniques are used to treat the soil contaminated by pentachlorophenol(PCP).First, four plants species were selected,including Allium tuberosum, Vigna radiata (L.) Wilczek, Pennisetum alopecuroides, and Medicago sativa to compare their treatment efficiencies for PCP in soil.The experimental results showed that the species of Allium tuberosum presented the highest degradation rate 76% after 35-day test run with the initial concentration of 20mg/kg in soil. In the second stage,the species of Allium tuberosum was thus selected to run the tests of feasibility of using phytoremediayion to treat the soils contaminated byPCP.During the e xperiment,the pot tests inside a greenhouse were run for 330 days.The result indicated that the species of Allium tuberosum contributed to the increase of microorganism and dehydrogenase activity in the soil. Bisides,we also found that adding with nutrients could help Allium tuberosum to depress the PCP stress.The test with vegetation of Allium tuberosum and addition of nutrients showed that the PCP degradation rate was measured equal to 98.4% with the concentration of PCP degraded from 42mgkg-1 to 0.68mgkg-1 after 330days. Finally, molecule biotechnology of PCR-DGGE was applied to the test of observing the microbiota in the soils.According to the test results,we found that the diversity of microorganisms could be raised through planting the species of Allium tuberosum. The microbiota in the soils with PCP pollutant have more varieties than the microbiota in soils without vegetation, which was infered that the addition of PCP might stimulate the vitality of microbes in the soils. Moreover, comparing the microbiota on rhizosphere of the plant species and in the bulk soils, it was found that the actitivies of root exudates might be able to increase the varieties of rhizospheric microorganisms.

Pour lutter contre les nuisibles des cultures (herbivores et pathogènes), de nouvelles voies ont été explorées et en particulier la lutte biologique. Utilisé la nature et ses organismes pour réguler les populations de pathogènes, tel est le but de la lutte biologique aussi appelé biocontrôle. Parmi les organismes couramment retrouvés dans le biocontrôle se trouve les micro-organismes, que cela soit des champignons ou des bactéries. Ces micro-organismes possèdent des capacités très intéressante pour des agriculteurs et agronomes. En effet, des études ont montré qu’ils étaient capables d’interagir avec les plantes pour permettre une meilleure croissance et santé de celle-ci. Alors, dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux bactéries pour trouver des méthodes de luttes alternatives à Fusarium graminearum, un pathogène des céréales responsables de fortes pertes de rendements, en particulier grâce à la production de mycotoxines qui va rendre les grains impropres à la consommation humaine et animales. Par l’intermédiaire d’une approche original consistant à garder des souches non-inhibitrice in vitro pour des tests in planta, nous avons pu montrer les limites de la sélection in vitro. Grâce à l’exploration métaboliques d’une souche particulièrement efficace, nous avons aussi pu mettre en évidence de potentiels nouvelles molécules antifongiques. Par l’intermédiaire d’une souche modèle, nous avons explorer les mécanismes de la mise en place d’une résistance systémique chez le blé induite par les bactéries. Et enfin, nous avons exploré le potentiel des combinaisons de bactéries dans la protection du blé qui semble représenter un vrai futur dans le monde du biocontrôle. Les travaux effectués s’inscrivent dans les besoins de nouvelles ressources pour limiter l’utilisation des pesticides, mais aussi dans un besoin de mieux comprendre les interactions tripartite entre blé, pathogène et bactéries bénéfiques / To combat pests of crops (herbivores and pathogens) new pathways have been explored, in particular biological control. Used the nature and its organisms to regulate the populations of pathogens, that is the goal of the biological fight also called biocontrol. Among the organisms commonly found in biocontrol are micro-organisms, be they fungi or bacteria. These microorganisms have very interesting capabilities for farmers and agronomists. Indeed, studies have shown that they are able to interact with plants to allow a better growth and health of it.Then, in this thesis, we were interested in bacteria to find alternative methods of struggle with Fusarium graminearum, a pathogen of cereals responsible for high yield losses, especially thanks to the production of mycotoxins that will make the seeds unfit for human and animal consumption.Through an original approach of keeping noninhibitory strains in vitro for in planta tests, we have been able to show the limitations of in vitro selection. Thanks to the metabolic exploration of a particularly efficient strain, we have also been able to highlight potential new antifungal molecules. Through a model strain, we explored the mechanisms of the establishment of systemic resistance in wheat induced by bacteria. And finally, we have explored the potential of bacterial combinations in wheat protection that seems to represent a real future in the world of biocontrol.The work done is in line with the needs of new resources to limit the use of pesticides, but also in a need to better understand the tripartite interactions between wheat, pathogen and beneficial bacteria

This master thesis deals with increased nutrient input in two wet meadow ecosystems. The study sites were Záblatské louky with organic soil and Hamr with mineral soil are both located in nature protected area Třeboňsko. This study focuses on effect of eutrophication on direct counts of bacteria, as well as Ntot and Ctot concentrations in the rhizosphere and bulk soil. Changes of all measured paremeters were observed during the growing season 2006 -2007 in both sites. Fluctuation of Norg, N-NH4 and N-NO3 concentrations occurred as well.

Cette thèse a porté sur la détermination et l’étude écodynamique d’éléments traces métalliques sur des technosols fortement contaminés en métaux et metalloïdes en contexte de revégétalisation naturelle ou de phytoremédiation. Deux schémas d'extractions séquentielles ont été utilisés conjointement à des extractions sélectives en parallèle avec la détermination de la concentration totale dans les sols, de la concentration totale dissoute dans les eaux porales, du pool labile (sondes DGT) et des tests de germination avec des haricots nains pour étudier la spéciation, la mobilité et la phytodisponibilité de métaux et métalloïdes (Zn, Pb, Cd, As et Sb) pour les technosols de deux sites post-minier (La Petite Faye) et industriel (Mortagne-du-Nord). De plus de jeunes plants de P. euramericana Dorskamp ont été cultivés en rhizobox sur les technosols de Mortagne-du-Nord pour étudier l’effet rhizosphèrique sur la mobilité des métaux. Enfin l’effet de l’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium sur le comportement de ces métaux a été également étudié pour P. euramericana Dorskamp sur ces mêmes sols. Malgré les fortes concentrations totales en métaux et métalloïdes dans les sols du site de La Petite Faye, la mobilité de ces éléments potentiellement toxiques est limitée car associés à la fraction résiduelle. La phytodisponibilité est également limitée et corrélée avec le pool labile des technosols. La culture de P. euramericana Dorskamp a généré un effet rhizosphèrique caractérisé par une augmentation de la valeur du pH et la concentration de carbone organique dissout (COD) de la solution de sol ainsi qu’une diminution des concentrations totale dissoute des métaux (Zn, Pb et Cd) dans la solution de sol. L’addition d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium a respectivement augmenté et diminué le pH de la solution de sol et dans le cas de l’ammonium a augmenté également le COD et stabilisé les métaux dans la rhizosphère par rapport aux sols de contrôle. / This thesis dealt with the determination and study of the ecodynamics of trace metals in technosols highly contaminated in metals and metalloids in the context of natural revegetalisation or phytoremediation. Two sequential extraction schemes were used jointly with selective extractions in parallel with the determination of the total metals concentration in soils, the total dissolved metals concentration in the soil pore water, the metals labile pool (DGT) and germination tests with dwarf beans to investigate the speciation, mobility and phytoavailability of (Zn, Pb, Cd, As and Sb) for technosols of two post-mining (La Petite Faye) and industrial (Mortagne du Nord) sites. Additionally, young plants of P. euramericana Dorskamp were cultivated in rhizobox on Mortagne du Nord technosols to investigate the rhizospheric effect on the mobility of metals. Moreover, the effect of nitrogen addition under nitrate and ammonium on the behavior of these metals has been investigated for P. euramericana Dorskamp for the same soils. Despite the high total metals and metalloids concentration in the La Petite Faye soils, the mobility of these potentially toxic elements is limited because of their association with the residual fraction. The phytoavailability is also limited and correlated with the labile pool of technosols. The culture of P. euramericana Dorskamp generated a rhizospheric effect characterized by an increase of the pH and concentration of dissolved organic carbon (DOC) in the soil pore water and a decrease in the total dissolved concentration of metals (Zn, Pb et Cd) in the soil pore water. The addition of nitrogen under nitrate or ammonium respectively increased and decreased the soil pore water pH and in the case of ammonium the DOC also increased and stabilized metals in the rhizosphere in comparison to control soils.

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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