Interactions plantes microbiotes-sol_c_mougel_vegenov_29062017

Interactions plante – microbiotes du sol: quelles
conséquences sur les performances des plantes ?
Christophe Mougel
29-06-2017 – Saint Pol de Léon
Séminaire ‘Sol et biodiversité microbienne’

.02
Agroécologie
 Contexte sociétal
- Conception et évaluation de nouvelles pratiques agricoles
et réduire les impacts
environnementaux
- F - Grenelle environnement
- F - Ecophyto II 2025
- CEE Directive cadre sur l’eau,
en attente de celle sur le sol
Maintenir la
production
CHRISTOPHE MOUGEL - INTERACTIONS PLANTE – MICROBIOTES DU SOL: QUELLES CONSÉQUENCES SUR LES PERFORMANCES DES PLANTES ?
SÉMINAIRE ‘SOL ET BIODIVERSITE MICROBIENNE’ – ST POL DE LÉON 29-06-2017

.03
Agroécologie
 Mais les plantes sont soumises à de nombreux stress
Pollution:
organic and heavy
metals
Nutrition:
N, P, S
Climate change:
temperature, water
Stress abiotiques Stress biotiques
Competition:
weeds
Bioagressors:
insects, nematodes,
pathogens(viruses,
bacteria, protist,
fungi)
 Agronomie : gestion des sols cultivés = fertilisation, irrigation, couverture phytosanitaire
 Amélioration variétale = traits reliés aux paramètres de rendement et de résistance aux
bioagresseurs (défenses directes et indirectes, compétition)
 Nouvelles solutions issus de l’écologie pour adapter la plante à un environnement fluctuant
Plantes cultivées

.04
Agroécologie
 Contexte scientifique
Ecosystem
services
Primary production
Biogeochimal cycles
Biological regulation
and (bio)control,…
- Relier la diversité taxonomique et fonctionnelle des
communautés microbiennes à l’écosystème plante
Communities ecology
-Taxonomic and
functional diversity
-Trophic network
- Plants-Microbes
interactions
Ecosystem
processes
Plant genotype/ideotype
Soil microorganisms
Nutrient cycles,
ISR/SAR
Interactions écologiques
- Meilleure utilisation de la biodiversité et des régulations
biologiques dans les agroécosytèmes pour réduire les intrants

.05
Place des interactions eucaryote –
communautés microbiennes dans l’adaptation
de l’hôte
Crédit : S. Dourlot/Univ. Rennes-I
Root flies /
parasitoid
Aphid / parasitoid
Plant
Human
Microbial communities
Crédit : Maxime Lambert
Coral

.06
Concept de Phytobiome (1/2)
 Promouvoir l’interdisciplinarité pour une agriculture durable
But the main
current focus is
plant-associated
microbiota
interaction…
… using meta’omics’ toolbox to
evaluate, understand, predict and
drive plant-associated microbiota
in relation to plant performance
(growth and health)
 Agronomie, Sciences du sol, Pathologie, Ecologie, Plant sciences

.07
Concept de Phytobiome (2/2)
 concept d’holobiont/hologénome et de phénotype étendu
P = G + E + (G x E)
E= Environmental microbiota
P = G + E + (G x E)
G = Plant and associated microbiota
 ‘Phytobiome’ sensu stricto: plantes – microbiote associé
 tous les habitats de la plante : spermosphere; rhizosphere, caulosphere,
phyllosphere, anthosphere,
 Durant tout son cycle de développement,
 Tous les taxa microbiens: micro-eukaryotes (dikaria, oomycetes),
eubacteria and archae-bacteria, virus,
Theis et al. mSystems 2016

.08
Bonnier (1853-1922)
Audubon (1785-1851)
Pasteur (1822-1895)
Ecologie versus microbial écologie
(2005-)

.09
Lien entre assemblage des communautés et
fonctions microbiennes en relation avec
l’ecosystème plante
Genes mRNA Proteins metabolites
genomic transriptomic proteomic (meta)bolomicMeta-
Diversity Functionality Ecosystem services
 Analyse de diversité identifie les espèces microbiennes présentes, leurs
occurrences au sein de la communautés et leurs réseau d’interaction => acteurs
clefs.
 Acces à des marqueurs fonctionnels (mRNA, metabolites, activity) reste un challenge
dans les écoystème ‘ouvert’ => complémentarité des approches naturalistes et
simplifiées (manipulation de diversité et communautés synthétiques)
Adapté de Maron et al., 2011

.010
Importance de la biodiversité dans le
fonctionnement des écosystèmes
 High diversity
- healthy ecosystem
- balance
- functional redundancy
- resistance to perturbation
- resilienceto damage
 Low diversity
- sick ecosystem
- imbalance
- functional disability
- susceptibility to perturbation
- lower resilience to damage

.011
Loreau et al., Science 294:804-808 (2001)
Tilman et al., Science 294:843-845 (2001)
Germany, line 1; filled circles = Portugal, line 2; filled
triangles = Switzerland, line 3; filled diamonds = Greece,
line 4; open squares = Ireland, line 5; open circles =
Sweden, line 6; open diamonds = Sheffield (UK), line 7 and
Silwood Park (UK), line 8.
Knops et al., Ecology Letters
2:286-293 (1999)
Adapted from Sieman et al.,
The American Naturalist
52: 738-750 (1998)
 Plus grande diversité de plante reliéé à une meilleure productivité de l’écosystème,
 plus grande richesses d’insectes phytophages (généralistes + spécialistes) mais aussi
de leurs ennemis naturels => régulations biologiques
 plus grande résistance à l’invasion d’espèces exogènes
Diversité et productivité dans les LTO
prairies : les leçons des expériences
BIODEPTH

.012
Effets de la diversité microbiennes sur les
processus des cycles C et N
 diminution de la dénitrification et de la minéralisation de la MO corrélé à une
réduction de diversité microbienne.
Philippot et al., ISME Journal 7:1609-1619 (2013)
Tardy el al. Env. Microbiol Reports 6:173-183 (2014)

.013
Retour aux racines: relation compartiments
aérien et souterrains: le cas des symbioses
Van der Heijden et al., Nature 396:69-72 (1998)
 augmentation de la fitness de la plante en augmentant la diversité des champignons
mycorhiziens => meilleure utilisation des ressources

.014
Effet de la diversité microbienne sur la
fitness de M. truncatula
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
NI
I
Frequencyof
mycorrhization
(arcsin-squareroot)
9 9 9 9 9
9
a
0
1
2
3
4
5
6
I NI
Intensityofnodulation
(squareroot)
Symbiotic inoculation
27 2718 18 18
c d
High Intermediary Low
Microbial diversity
Microbial diversity
Lepinay, unpublished
Medicago truncatula
Glomeromycotasp.
Sinorhyzobiumsp.
0.60
0.65
0.70
0.75
Shootdrymass(log10g)
Microbial diversity
I NI
27 2718 18 18
a b
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Totalseedmass(g)
I NI
27 2718 18 18
d e
Microbial diversity
 réduction de la production primaire et du nombre de graine produite ET de
l’aptitude à entrer en symbiose (‘helpers’ de symbiose)
 les interactions plant-microbiota important pour la production végétale, comment
les gérer, les optimiser et les piloter

.015
Feed back loop in plant - microbiote
interactions
Light
CO2
eg Environment factors
Rhizodeposites : signal & communication
molecules and trophic metabolites
Molecular Ecology
META-’OMICS’
Plant effect on
microbial communities
ecology
=
Rhizosphere effect
effect on plant growth
and health
=
Extended phenotype
Key question : understanding the link between microbial communities structure and
functionning in relation to plant adaptation to biotic and abiotics factors.
Hologenome =
Plant genotype x
Micobial
metagenome
CHRISTOPHE MOUGEL - Rôle des interactions plante-communautés microbiennes dans la performance des plantes: de la corrélation à la conséquence
STRATEGE NETWORK – PARIS – MAY 9-10TH, 2017

.016
The rhizosphere: a spatialized habitat and a
temporal dynamics
A spatial effect A dynamic habitat
Crédit : Mougel et al. New Phytol. 2006

.017
interactions
Light
CO2
Molecular Ecology
META-’OMICS’
Plant effect on
ecology
=
Rhizosphere effect
and health
=
Extended phenotype
Hologenome =
Plant genotype x
Micobial
metagenome

.018
Plant-microbial communities interactions
Environment
Microbiote (bacteria)
Rhizosphere, endophyte
Host genetics: model plant
< 8 genotypes + related species
Green house experiments (2 soils)
and field experiment
Diversity
Composition
 Important factor = soil type (seed bank effect)
 Spatial effect: bulk soil < soil surrounding root system (ie rhizophere) < endophytes
 Dynamic effect depending of plant phenology (vegetative versus reproducive stages)
 Core-microbiote with quantitative variations
Mougel et la., New Phytologist, 2006
Lundberg et al., Nature, 2012
Bulgarelli et al., Nature, 2012
Schlaeppi et al., PNAS, 2013

.019
A genome wide analysis study GWAS to
identify keys plant genes
Environment
Diversity
Composition
Host genotype
192 accessions of M. truncatula (core
collection)
Microbiote (bacteria)
rhizosphere
Green house
C/N nutrition
Structure/function
Nutritional
strategies
 191 on the 876 bacterial species share a significant heritability values (between 0,2
and 0,6)
 Genetic analysis allow the identification of plant genes in relation with
signalisation, N metabolism and stimuli response (stress et plant defense)
 Relevant genes for plant breeders ?
Zancarini et al., in preparation for MICROBIOME

.020
interactions
Light
CO2
Molecular Ecology
META-’OMICS’
Plant effect on
ecology
=
Rhizosphere effect
and health
=
Extended phenotype
Hologenome =
Plant genotype x
Microbial
metagenome

.021
Holobiont – bioagressor interactions : a
proof of concept
Oilseed rape holobionts
Plasmodiophora
brassicae
Heterodera
schachtii
PROTIST FUNGINEMATODE
Leptosphaeria
maculans
Delia radicum
Brevicoryne
brassicae
INSECT INSECT
Below ground Above groundAbove/below ground
IP
DiversitéHigh Medium Low
1
0
0,5

.022
Analyse de la diversité microbienne
MDS sur matrice de distance
(Bray and Curtis distance)
(Axis 1= 34% and axis 2 = 11%)
Richesse (OTU number), Diversité (Shannon
index) and Equitabilité (Piélou index)
Diversité a Diversité b
BacteriaFungi

.023
Delia radicum – métabolites de la plante
(primary and specific Brassica metabolites)
(Statistic test= Wilcoxon & Kruskal-Wallis)
Glucosinolates
= Generalist/Specialist
Amino acid
Arginine
= proteins involved in
brassica defense
(Test statistique = PLS-DA)
 la diversité microbienne modifie les métabolites primaires et secondaires de la plante
(Lachaise et al., 2017 Insect Sciences)

.024
Delia radicum
 traits d’histoire de vie de D. radicum affectés par diversité microbienne
 Plant genotype : Ténor
 n= 18 per dilution
 8 eggs/plant
Emergence rate Tibia length
(Statistic test= Wilcoxon & Kruskal-Wallis)
Lachaise et al. Insect Sciences (minor revision)
Laying rate

.025
Heterodera schachtii
 taux éclosion des femelles affecté par diversité microbienne
 analyse des exsudats racinaires aux différentes diversité microbiennes sur la cinétique
d’éclosion (en relation avec projet RhizoModul, EVA Caen)
Number of larvae in parental cyst (n=8 cysts/plant)
Microbial diversity:
High
Intermediary
Low
 1 plant genotypes = Ténor
 n=36 per dilution
 8 cysts/plant

.026
Heterodera schachtii
 THV d’Heterodera schachtii affecté par la diversité microbienne :
Diversité elevé -> réduction de l’éclosion, aspect signalisation/exsudats racinaires
Diversité faible -> fort taux éclosion, réduction nombre kystes formé, antogonisme ou
compétition avec communautés microbiennes
Number of cysts formed Number of larvae / cyst (n=10 cysts/plant)
High
Intermediary
Low

.027
Plasmodiophora brassicae
 3 plant genotypes
Ténor = sensible
Yudal = tolerant
Bristol = resistant
 n=36 per dilution
 eH 107 spores/plant
 modulation de l’indice de pathologie et de la quantité de pathogène produit
 interaction génotype X communautés microbiennes
Pathologyindex
High
Intermediary
Low
Pathogenfitness(DNA/plant)

.028
Communautés bactériennes associées
 corrélation avec diversité communautés bactériennes
 projets plus fonctionnels = projets Resistbiome (A Sarniguet) et Herni’Ome (S Daval);
pré-projet ANR MIRAGES (C Mougel) et GutSy (AM Cortesero)
Bristol Tenor Yudal
D0
D3
D6

.029
Summary
Plasmodiophora
brassicae
Heterodera
schachtii
Leptosphaeria
maculans
Delia radium Brevicoryne
brassicae
Below ground Above ground
D0 D3 D6 D0 D3 D6
NS
D0 D3 D6
NS
(Mougel et al., en préparation)
Oilseed rape holobionts
 Surprise-surprise for the law diversity which is expected to be more favorable
to the bioagressors !
 Characterization of the microbial communities in the rhizosphere during
interaction to identify ‘core’ microbial species, interaction network, go to
functional ecology
Bioagressorsfitness

.030
Pieterse CMJ et al., 2016
Interaction dans la rhizosphere

.031
Interactions colza-communautés
microbiennes et bioagresseurs
Brassica napus
genotype
Rhizosphere
microbiotes
Cabbage root
fly larvae
Plasmodiophora
brassicae
aboveground
belowground
Defenses Bioagressors
Heterodera
schachtii
Seedbank = diversité microbienne du
sol affectée par des processus
naturels et anthropiques (agriculture)

.032
Merci pour votre attention
Départements BAP, EA, SPE
MP MEM
Alves-Carvalo S., Aubert J., Bousset L., Cortesero A.M., Daval S., Delourme R., Ermel M., Fournet
S., Gazengel K, Gravot A., Guillerm-Erckelboudt A.Y., Lachaise T., Lebreton L., Linglin J., Luquet
M., Manzanares-Dauleux M., Montarry J., Ourry M., Poinsot D., Porte C., Simon J.C.
Interactions plante – microbiotes du sol: quelles
conséquences sur les performances des plantes ?

Interactions plantes microbiotes-sol_c_mougel_vegenov_29062017

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

Similaire à Interactions plantes microbiotes-sol_c_mougel_vegenov_29062017

Similaire à Interactions plantes microbiotes-sol_c_mougel_vegenov_29062017 (20)

Interactions plantes microbiotes-sol_c_mougel_vegenov_29062017