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Interaction plante-communautés microbiennes
de la rhizosphère et légumineuses: une approche
               multidisciplinaire.

                   Christophe Salon,
                  Christophe Mougel,
                Nathalie Munier Jolain,
                   Anouk Zancarini.
               UMR Agroécologie, INRA Dijon
Contexte          Hypothèse               Cadre d’analyse   Résultats         Conclusion/Perspectives


                                                Contexte
Modification des communautés microbiennes sous l’influence de la plante
(Hartmann et al. 2009 ; Buée et al. 2009)



La rhizodéposition, base des interactions                                                CO2
plante-communautés microbiennes
     • 17% du carbone fixé (Nguyen 2003)
     • Mucilage, exsudats, sénescence des racines
     • Nutriment et signaux (Lynch et Whipps 1990)
     • Délimite la zone d’influence des racines :
                                                                                                Sol
         la rhizosphère

                                                                                            C
                                                                          C

                                                                 Communautés
                                                                 microbiennes
                                                                                                          3
Contexte        Hypothèse            Cadre d’analyse              Résultats                                                         Conclusion/Perspectives


                                           Contexte
                                         1. Modification du sol
                                             sous l’influence des
                                            racines (rhizodéposition)

                                                  Environnement
                                                                                                         2. Modification des
                                                             CO2
                                                                                                            communautés
4. Modification de la croissance                                                                            microbiennes de la
   de la plante sous l’influence des                                                                        rhizosphère (densité,
   communautés microbiennes                                                                                 diversité et activité)
                                                                                       Bulk Soil Rhizosphere
                                                                  Sol                                         I II III IV V
                                                                                  MW         MW          MW                   MW




                                                              C            1206

                                                                           1120
                                                                                                  1206

                                                                                                  1120
                                                                                                                               1206

                                                                                                                               1120




                                                       C
                                                                           1051                   1051                         1051

                                                                           984                    984                          984

                                                                           915                    915                          915

                                                                           867                    867                          867

                                                                           810                    810                          810

                                                                           759                    759                          759


                                                                           698                    698                          698



                                            Sol                            654                    654                          654


                                                                           587                    587                          587

                                                                           540                    540                          540

                                                                           480                    480                          480

                                                                           450                    450                          450
                                                                           420                    420                          420

                                                                           380                    380                          380
                                                                           350                    350                          350
                                                                           325                    325                          325
                                                                           300                    300                          300

                                                                           250                    250                          250
                                                                           230                    230                          230
                                                                           200                    200                          200




      3. Sélection de communautés                                 Sol
         microbiennes spécifiques de
         la rhizosphère
                                                                           Communautés
                                                                           microbiennes                                                                     1/7
Contexte            Hypothèse          Cadre d’analyse          Résultats          Conclusion/Perspectives


                                             Contexte
Comment les communautés microbiennes modifient la croissance et la
santé de la plante ? (Kraiser et al. 2011 ; Lugtemberg et Kamilova 2009 ; Vessey 2003)


                                                  Biofertilisation (Rhizobium, Azospirillum)
                                                  Phytostimulation (Azospirrillum, Phyllobacterium)
                                                  Rhizoremédiation
                                                  Meilleure résistance aux stress
                                                  Synthèse d’antibiotiques


             Témoin       B. japonicum

                Glycine max (soja)




                                                                                                               5
Contexte        Hypothèse         Cadre d’analyse       Résultats        Conclusion/Perspectives


                                       Contexte
Vers une nouvelle approche des interactions plantes – communautés
microbiennes de la rhizosphère…
    •   Nécessité d’avoir une approche globale intégrant tous les partenaires
    •   Vision de la plante comme levier des modifications au niveau microbien




                                                                                                    6
Contexte   Hypothèse      Cadre d’analyse   Résultats           Conclusion/Perspectives


                   Hypothèse de recherche

                Le génotype de la plante est un levier
                des modifications au niveau microbien



                                                              Facteurs
                                                         environnementaux
                         Génotype
                        de la plante
                                                        Facteurs abiotiques :
                                                          - Rayonnement
                                                          - Température
                                                          - Azote minéral
                       Phénotype de
                         la plante
                                                        Facteurs biotiques :
                                                          - Communautés
                                                            microbiennes
                       Communautés
                       microbiennes


                                                                                      2/7
Contexte            Hypothèse          Cadre d’analyse                 Résultats         Conclusion/Perspectives


                     Cadre d’analyse pour l’étude des interactions
                                               Surface
                                               foliaire
             Efficience de
            conversion de N                                                     Efficience
           en surface foliaire                               CO2                biologique



                                     N2
                    Quantité                                                    Biomasse
                 totale d’azote                                                   totale
                                                                Sol
                                                                   Norga
                                    NO3-
                                                                                 Ratio biomasse
                  Prélèvement                        Nminéral                    souterraine sur
               d’azote spécifique                                                biomasse totale
                                               Biomasse
                                              souterraine

                                                                            Respiration       Stimulation du
               Amélioration de                                                                développement
               la disponibilité             Rhizodéposition
                                                                                                 racinaire
                 en N du sol

                                            Communautés
Adapté à partir de                          microbiennes
  Moreau 2007                                                                                                      3/7
Contexte          Hypothèse         Cadre d’analyse          Résultats            Conclusion/Perspectives


                        Une approche multidisciplinaire

 Approche d’écologie microbienne :
 Structure génétique des communautés
  bactériennes et fongiques (ARISA)
 Diversité bactérienne (pyroséquençage 454)

 Approche génétique :
                                                       Structure génétique des communautés microbiennes par
 Variabilité génétique, core collections…                           ARISA (Mougel et al. 2006)


 Approche écophysiologique:
 Croissance de M. truncatula
            Surface foliaire, biomasse aérienne et racinaire

 Analyse de flux de carbone et d’azote (marquage isotopique)
            Photosynthèse, rhizodéposition, respiration, N2 fixation
 Stratégie nutritionnelle (modèle écophysiologique)


                                                                                                             4/7
Contexte             Hypothèse              Cadre d’analyse            Résultats    Conclusion/Perspectives


                                                     Communautés bactériennes du sol


                                                                                                      Structuregénétique
                               0.10




                                                                    DZA_045_6
                                                                                                     des communautés
                                                                                                     bactériennes du sol
 Principal Component 2 (27%)
                               0.05




                                                                                                     rhizosphérique
                                                      DZA_315_26              SA_028064
                                                                                                     constrastée en fonction
                               0.00




                                                                          F_83005_5

                                                                              Jemalong_A17           du génotype considéré
                               -0.05




                                                                                Jemalong_J6
                                                    DZA_315_16
                               -0.10




                                                                                  p-value < 0,001


                                          -0.15   -0.10     -0.05      0.00        0.05       0.10
                                                  Principal Component 1 (43%)
                                                     Le génotype de Medicago truncatula affecte les
                                                    communautés bactériennes du sol rhizosphérique
Zancarini et al, (2012) PloS One, PLoS ONE 7(10): e47096. doi:10.1371/journal.pone.0047096
Zancarini et al, (2012) Plant and Soil, sous press                                                                                           5/7
Contexte            Hypothèse         Cadre d’analyse                Résultats             Conclusion/Perspectives


                         Stratégies nutritionnelles contrastées

                                                                                 Surface
                                                  Efficience de                  foliaire               Efficience
                   a          a                  conversion de N
                       ab a                                                                             biologique
                                  ab ab         en surface foliaire


               b
                                                           Quantité                                      Biomasse
                                                        totale d’azote                                     totale
                                                                              Sol


                                                     Prélèvement                                         Ratio biomasse
                                                  d’azote spécifique              Biomasse               souterraine sur
                                                                                 souterraine             biomasse totale


           Un génotype a une                               … due à une faible efficience de
         faible biomasse totale                         conversion de l’azote en surface foliaire
                                                            par rapport aux autres génotypes


       Une plus faible croissance par effet cumulatif d’une plus faible
           efficience de conversion de l’azote en surface foliaire
Zancarini et al, (2012) PloS One, PLoS ONE 7(10): e47096. doi:10.1371/journal.pone.0047096
Zancarini et al, (2012) Plant and Soil, sous press                                                                   6/7
Introduction     Démarche     Matériels & Méthodes   Résultats     Conclusion/Perspectives

                             Pistes de recherches…
 Poids des liens trophiques dans l’interaction ?


 Généricité des données ?


 Aller vers le fonctionnel : traits plantes et traits bactériens


 Aborder l’effet des communautés sur la croissance des plantes


 Rôle du génotypage et du phénotypage HD ?


            Comment intégrer ces connaissances dans la définition d’idéotypes
de plante favorisant et optimisant les interactions?

                                                                                              7/7
Introduction   Démarche      Matériels & Méthodes   Résultats   Conclusion/Perspectives

                           … et contexte partenarial
 Fédérer les approches au sein (et entre) des pôles de compétitivité?




                                                                                           7/7

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Atelier 4 - Performance du système racinaire et inoculants microbiens : nutrition minérale et hydrique : Interaction plante et communautés microbiennes de la rhizosphère et légumineuses : une approche multidisciplinaire

  • 1. Interaction plante-communautés microbiennes de la rhizosphère et légumineuses: une approche multidisciplinaire. Christophe Salon, Christophe Mougel, Nathalie Munier Jolain, Anouk Zancarini. UMR Agroécologie, INRA Dijon
  • 2. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Contexte Modification des communautés microbiennes sous l’influence de la plante (Hartmann et al. 2009 ; Buée et al. 2009) La rhizodéposition, base des interactions CO2 plante-communautés microbiennes • 17% du carbone fixé (Nguyen 2003) • Mucilage, exsudats, sénescence des racines • Nutriment et signaux (Lynch et Whipps 1990) • Délimite la zone d’influence des racines : Sol la rhizosphère C C Communautés microbiennes 3
  • 3. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Contexte 1. Modification du sol sous l’influence des racines (rhizodéposition) Environnement 2. Modification des CO2 communautés 4. Modification de la croissance microbiennes de la de la plante sous l’influence des rhizosphère (densité, communautés microbiennes diversité et activité) Bulk Soil Rhizosphere Sol I II III IV V MW MW MW MW C 1206 1120 1206 1120 1206 1120 C 1051 1051 1051 984 984 984 915 915 915 867 867 867 810 810 810 759 759 759 698 698 698 Sol 654 654 654 587 587 587 540 540 540 480 480 480 450 450 450 420 420 420 380 380 380 350 350 350 325 325 325 300 300 300 250 250 250 230 230 230 200 200 200 3. Sélection de communautés Sol microbiennes spécifiques de la rhizosphère Communautés microbiennes 1/7
  • 4. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Contexte Comment les communautés microbiennes modifient la croissance et la santé de la plante ? (Kraiser et al. 2011 ; Lugtemberg et Kamilova 2009 ; Vessey 2003)  Biofertilisation (Rhizobium, Azospirillum)  Phytostimulation (Azospirrillum, Phyllobacterium)  Rhizoremédiation  Meilleure résistance aux stress  Synthèse d’antibiotiques Témoin B. japonicum Glycine max (soja) 5
  • 5. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Contexte Vers une nouvelle approche des interactions plantes – communautés microbiennes de la rhizosphère… • Nécessité d’avoir une approche globale intégrant tous les partenaires • Vision de la plante comme levier des modifications au niveau microbien 6
  • 6. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Hypothèse de recherche Le génotype de la plante est un levier des modifications au niveau microbien Facteurs environnementaux Génotype de la plante Facteurs abiotiques : - Rayonnement - Température - Azote minéral Phénotype de la plante Facteurs biotiques : - Communautés microbiennes Communautés microbiennes 2/7
  • 7. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Cadre d’analyse pour l’étude des interactions Surface foliaire Efficience de conversion de N Efficience en surface foliaire CO2 biologique N2 Quantité Biomasse totale d’azote totale Sol Norga NO3- Ratio biomasse Prélèvement Nminéral souterraine sur d’azote spécifique biomasse totale Biomasse souterraine Respiration Stimulation du Amélioration de développement la disponibilité Rhizodéposition racinaire en N du sol Communautés Adapté à partir de microbiennes Moreau 2007 3/7
  • 8. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Une approche multidisciplinaire  Approche d’écologie microbienne :  Structure génétique des communautés bactériennes et fongiques (ARISA)  Diversité bactérienne (pyroséquençage 454)  Approche génétique : Structure génétique des communautés microbiennes par  Variabilité génétique, core collections… ARISA (Mougel et al. 2006)  Approche écophysiologique:  Croissance de M. truncatula Surface foliaire, biomasse aérienne et racinaire  Analyse de flux de carbone et d’azote (marquage isotopique) Photosynthèse, rhizodéposition, respiration, N2 fixation  Stratégie nutritionnelle (modèle écophysiologique) 4/7
  • 9. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Communautés bactériennes du sol  Structuregénétique 0.10 DZA_045_6 des communautés bactériennes du sol Principal Component 2 (27%) 0.05 rhizosphérique DZA_315_26 SA_028064 constrastée en fonction 0.00 F_83005_5 Jemalong_A17 du génotype considéré -0.05 Jemalong_J6 DZA_315_16 -0.10 p-value < 0,001 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 Principal Component 1 (43%) Le génotype de Medicago truncatula affecte les communautés bactériennes du sol rhizosphérique Zancarini et al, (2012) PloS One, PLoS ONE 7(10): e47096. doi:10.1371/journal.pone.0047096 Zancarini et al, (2012) Plant and Soil, sous press 5/7
  • 10. Contexte Hypothèse Cadre d’analyse Résultats Conclusion/Perspectives Stratégies nutritionnelles contrastées Surface Efficience de foliaire Efficience a a conversion de N ab a biologique ab ab en surface foliaire b Quantité Biomasse totale d’azote totale Sol Prélèvement Ratio biomasse d’azote spécifique Biomasse souterraine sur souterraine biomasse totale Un génotype a une … due à une faible efficience de faible biomasse totale conversion de l’azote en surface foliaire par rapport aux autres génotypes Une plus faible croissance par effet cumulatif d’une plus faible efficience de conversion de l’azote en surface foliaire Zancarini et al, (2012) PloS One, PLoS ONE 7(10): e47096. doi:10.1371/journal.pone.0047096 Zancarini et al, (2012) Plant and Soil, sous press 6/7
  • 11. Introduction Démarche Matériels & Méthodes Résultats Conclusion/Perspectives Pistes de recherches…  Poids des liens trophiques dans l’interaction ?  Généricité des données ?  Aller vers le fonctionnel : traits plantes et traits bactériens  Aborder l’effet des communautés sur la croissance des plantes  Rôle du génotypage et du phénotypage HD ? Comment intégrer ces connaissances dans la définition d’idéotypes de plante favorisant et optimisant les interactions? 7/7
  • 12. Introduction Démarche Matériels & Méthodes Résultats Conclusion/Perspectives … et contexte partenarial  Fédérer les approches au sein (et entre) des pôles de compétitivité? 7/7