Faculté des sciences

Roots, earthworms and mycorrhizae : individual and interactive effects on some chemical, physical and biological properties of soils

Kohler-Milleret, Roxane ; Gobat, Jean-Michel (Dir.) ; Le Bayon, Claire (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2009 ; Th. 2096.

Les communautés des êtres vivants dans le sol incluent une grande variété d’organismes qui sont liés entre eux par des interactions complexes au niveau des chaînes trophiques ou non trophiques. Les organismes du sol sont reconnus pour leurs contributions à un grand nombre de services des écosystèmes. Ils peuvent modifier la structure du sol et son régime hydrique, accroître la... Plus

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    Résumé
    Les communautés des êtres vivants dans le sol incluent une grande variété d’organismes qui sont liés entre eux par des interactions complexes au niveau des chaînes trophiques ou non trophiques. Les organismes du sol sont reconnus pour leurs contributions à un grand nombre de services des écosystèmes. Ils peuvent modifier la structure du sol et son régime hydrique, accroître la quantité et l’efficacité d’acquisition des éléments nutritifs par la végétation et ainsi améliorer la santé des plantes. Parmi la grande diversité d’êtres vivants du sol, les vers de terre, les racines des plantes, et les Champignons Arbusculaires Mycorhiziens (CAM) vivant en symbioses avec les racines, sont des éléments clés. Cependant, il n’existe que peu d’études visant à estimer l’effet individuel ou les interactions entre les vers de terre, les CAM et les racines sur les propriétés du sol et leur influence sur la croissance des plantes. Ce travail de thèse va donc principalement s’intéresser à la contribution de ces trois organismes du sol sur la structure du sol et la teneur en éléments nutritifs de celui-ci. Les objectifs de cette thèse étaient d’évaluer les effets séparés ou conjoints de vers de terre endogés (Allolobophora chlorotica), des CAM (Glomus intraradices) et des racines du poireau (Allium porrum) sur certaines propriétés physiques (stabilité des macroagrégats du sol, analyse de retrait), et chimiques (teneur en éléments nutritifs, principalement l’azote, N et le phosphore, P) du sol. De plus, l’effet de ces trois catégories d’organismes sur des propriétés biologiques du sol a également été étudiée en se focalisant sur la structure des communautés bactériennes présentes dans le sol. Il a été démontré que les vers de terre, les CAM et les plantes modifi ent le sol qui les entoure. Le sol rhizosphérique (la fraction de sol directement infl uencée par les racines), le sol drilosphérique (la fraction de sol influencée par les vers de terre, à savoir les turricules, fèces et parois de galeries) ainsi que la fraction de sol restante ont ainsi également été analysées. En parallèle à leurs effets sur les paramètres du sol susmentionnés, les interactions biologiques entre les trois organismes du sol ont aussi été mesurées, avec une attention particulière portée sur l’influence des vers de terre et des CAM sur la croissance des plantes (lien avec le système aérien). Pour répondre à ces objectifs, trois expériences ont été conçues. La première expérience a été menée en chambre climatisée en utilisant un design expérimental à deux compartiments, à savoir des microcosmes séparés verticalement en deux par une toile de nylon afin d’empêcher les racines de traverser la toile tout en permettant aux CAM de le faire. Le sol utilisé pour cette expérience était un Anthrosol à texture limoneuse qui a été maintenu en condition de carence en phosphore afin de favoriser la symbiose entre le champignon et la plante. Nous avons mesuré la structure du sol au moyen des analyses de retrait et du pourcentage de stabilité de macroagrégats stables à l’eau, ainsi que le phosphore total et disponible pour les plantes, les teneurs en azote et carbone total dans les plantes et les différentes fractions du sol. Les structures de communautés bactériennes ont aussi été mesurées. La deuxième expérience a été réalisée afin de tester si les effets des trois organismes étaient différents en fonction de la teneur en phosphore dans le sol. Le design utilisé était identique à la première expérience, excepté qu’elle a été réalisée en serre et qu’un traitement fertilisation en phosphore (ajout de 5mM de KH2PO4) a été ajouté dans cette expérience. L’accent a été mis sur des mesures de différentes formes de phosphore dans le sol (total, organique et disponible), couplées à des mesures d’activités enzymatiques (activité de la phosphatase à différents pH). Finalement, la troisième expérience a été établie afin de mieux caractériser les résultats des analyses de retrait obtenus lors de la première expérience. Cette dernière expérience a également été conduite sous serre mais au moyen d’un design expérimental simplifié. Les microcosmes n’étaient pas séparés en deux parties. Cette fois, nous avons utilisé les 30 premiers centimètres d’un Luvisol à texture limoneuse fi ne, instable et sensible à la battance afin de tester si la réponse des organismes du sol, observée lors de la première expérience (voire ci-dessous), se vérifiait. En plus du poireau, une seconde plante, le pétunia (Petunia hybrida) a été ajoutée à l’expérience afin de tester l’effet de deux systèmes racinaires différents. A nouveau, nous avons mesuré la structure du sol au moyen des analyses de retrait et du pourcentage de macroagrégats stable à l’eau. Par ailleurs, au cours de chaque expérience, les interactions biologiques entre CAM, vers de terre et plantes ont été évaluées en mesurant les biomasses des plantes et des vers de terres, ainsi que le taux de mycorhization et la longueur des hyphes externes des CAM. Les résultats de cette thèse ne sont pas présentés par expérience, mais en fonction des propriétés du sol étudiées. L’effet des racines, des CAM et des vers de terre sur les propriétés du sol est donc présenté dans l’ordre suivant : i) propriétés chimiques (chapitres 2 et 3), ii) propriétés physiques (chapitres 3 et 5) et iii) propriétés biologiques (chapitre 6). Les propriétés chimiques du sol ont été principalement influencées par les racines et les CAM. Le phosphore disponible a diminué en présence des plantes dans la première expérience, mais aucune différence n’a été mesurée dans la deuxième expérience. Par ailleurs, les résultats de la troisième expérience ont montré des effets différents selon l’espèce de plante (poireau et pétunia) sur la disponibilité de P dans le sol. Des attaques d’acariens (deuxième expérience) ou les différences entre les deux sols utilisés (troisième expérience) peuvent expliquer ces résultats. Comme pour les plantes, les CAM ont généralement diminué la disponibilité du P dans le sol, excepté dans la deuxième expérience. L’effet des vers de terre sur les éléments nutritifs du sol n’a pas été significatif, mais le sol drilosphérique contenait une plus grande concentration d’azote et de phosphore disponible. Les propriétés physiques du sol ont principalement été affectées par les racines et les vers de terre. Les racines ont amélioré la structure du sol en diminuant la densité du sol et en augmentant la stabilité des macroagrégats. De plus, la structure du sol a été influencée différemment en fonction de la présence du poireau ou du pétunia. Durant les deux expériences axées sur la physique du sol, les CAM n’ont pas influencé significativement la structure du sol, mais ils ont positivement interagi avec les racines. Les plantes ont donc eu un impact très fort et positif sur la structure du sol, et les CAM semblent avoir eu un effet synergique positif en accentuant l’effet des racines des plantes. Contrairement aux racines, les vers de terre endogés ont influencé négativement la structure du sol. Ils ont principalement diminué la stabilité et augmenté la densité du sol (i.e. compaction). Les propriétés biologiques, i.e. la structure des communautés bactériennes, ont été influencées par les racines, les CAM et les vers de terre, soit directement dans le sol distant (CAM et racines) soit indirectement via le sol drilosphérique (vers de terre). De manière générale, les interactions biologiques entre les trois organismes du sol ont montré que les CAM n’avaient pas d’effets significatifs sur la biomasse ou la survie des vers de terre et que les vers de terre n’ont également pas influencé le taux de mycorhization ou la longueur des hyphes externes des champignons. La survie des vers de terre a été en outre négativement influencée par les racines du poireau. Les exsudats racinaires du poireau semblent être responsables de ces résultats. Finalement, les effets des vers de terre ou des CAM sur les plantes varient selon les expériences. Les CAM ont positivement influencé les biomasses des racines et les parties aériennes (tiges et feuilles) dans les expériences 1 et 3 ou n’ont eu aucun effet significatif (expérience 2), tandis que les vers de terre n’ont eu aucun effet significatif sur la croissance des plantes. De plus, les effets des CAM et des vers de terre sur les teneurs en N et P dans les parties aériennes des plantes sont contrastés et dépendent probablement de la teneur en éléments nutritifs limitant dans les sols. En conclusion, bien que nous ayons étudié la relation entre trois organismes uniquement, nous avons montré que les interactions biotiques qui se déroulent dans le sol sont très complexes. De plus, les trois expériences ont mis en évidence l’importance de mesurer des paramètres physiques et chimiques du sol lorsque l’on étudie les interactions entre les organismes du sol et leur influence sur la croissance des plantes. Dans ce sens, une approche intégrée, visant à mesurer les effets des processus biologiques (interactions des organismes vivants du sol) et physico-chimiques du sol (par exemple analyses de retrait), est largement encouragée et semble, d’après nos résultats, très utile et prometteuse pour de futures études.
    Summary
    The belowground communities include a large variety of soil organisms showing highly complex interactions across trophic or non-trophic groups. Soil organisms have been recognized to contribute to a wide range of ecosystem services. They can modify soil physical structure and water regimes, enhancing the amount and efficiency of nutrient acquisition by the vegetation and improving plant health. Among the great diversity of soil biota, plant roots, earthworms, and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) that form a symbiosis with plant roots, are key components. However, only few studies tried to assess the individual or interactive effects of earthworms, AMF and roots, on soil properties and how they infl uence plant growth. This PhD thesis will therefore principally focus on the contribution of these three soil organisms with respect to their effects on soil nutrient content and on soil structure. The objectives of this thesis were to assess separately and in combination the effects of endogeic earthworms (Allolobophora chlorotica), AMF (Glomus intraradices) and leek plants (Allium porrum) on some soil physical (soil macroaggregate stability, shrinkage analysis) and chemical (nutrient content, mainly nitrogen, N and phosphorus, P) properties. Moreover, the effect of the three kinds of organisms on soil biological properties, especially the structure of the bacterial communities, was also studied. As earthworms, mycorrhizae and plants have been shown to modify their surrounding soil, the rhizosphere (the soil fraction infl uenced by the roots), the drilosphere (the soil fraction influenced by earthworms, i.e. casts and burrow-linings), and the remaining bulk soil were also analyzed. In parallel of their effects on soil parameters mentioned above, biological interactions between the three soil organisms were measured as well, with particular attention on the influence of earthworms and AMF on plant performance (link with the aboveground system). To reach our objectives, three experiments were designed. The first experiment was conducted in a climate chamber and used a compartmental design consisting of microcosms separated vertically into two parts with a nylon mesh to prevent the roots to pass through, but not AMF. The soil used was a loamy Anthrosol that was maintained under phosphorus (P) limited conditions in order to promote the AMF-root symbiosis. We measured soil structure through shrinkage analysis and the percentage of water stable macroaggregates, the total and available phosphorus, total carbon and nitrogen content in the plants and in the different soil fractions as well as bacterial community structures. The second experiment was performed in order to test whether the effects of the three organisms were different according to the P concentration in the soil. The design was similar to the previous experiment; except that it was conducted in a glasshouse and that P fertilization treatment was performed using 5mM KH2PO4. We focussed our measurements on the different form of P (total, organic and available P) coupled with enzymatic activity measurements (phosphatase activity at different pH). Finally, the third experiment was set up in order to better characterize the shrinkage results obtained in the fi rst experiment. This last experiment was conducted in a glasshouse but the experimental design was simplifi ed as microcosms were not compartmented. The first 30 cm of an unstable and sensitive to crusting silt loamy Luvisol was used in order to test if the response of soil organisms observed in the first experiment (see below) is verified. In addition to leek plants, a second plant, the petunia (Petunia hybrida), was added in order to test for the effects of different root architectures. Again, we measured soil structure through shrinkage analysis and the percentage of water stable macroaggregates. Moreover, in every experiment, biological interactions between AMF, plant roots and earthworms were assessed by measuring plant and earthworm biomass as well as the mycorrhization rate and the external hyphal length. The results of this thesis are not presented by experiment but according to the studied soil properties. The effect of plant roots, AMF and earthworms on soil properties are therefore presented in the following order: i) chemical (chapters 2 and 3), ii) physical (chapters 4 and 5), and iii) biological soil properties (chapter 6). Chemical soil properties were mainly influenced by plant roots and AMF. Available P decreased in the presence of plant roots in the fi rst experiment, but no difference with unplanted pots was measured in the second experiment. In addition, results of the third experiment showed different effect of petunia and leek on available P in the bulk soil. Mite infection (second experiment) or different soils (third experiment) may explain the results. As for plant roots, AMF generally decreased P availability in the soil except in the second experiment. The effect of earthworm on chemical nutrient in the bulk soil was not signifi cant, but drilosphere soil contained higher concentration of P and N. Physical soil properties were mainly affected by plant roots and earthworms. Plant roots improved soil structure by decreasing soil density and increasing soil stability. Moreover, soil structure was differently affected by the different root architecture of petunia and leek. During the two experiments centred on soil physics, AMF did not signifi cantly infl uenced soil structure but positively interacted with plant roots. Plants had therefore the greatest positive impact on soil structure, and AMF seem to have a positive synergistic effect by accentuating the effect of plant roots. Contrarily to plant roots, endogeic earthworms negatively affected soil structure, mainly by decreasing soil stability and increasing the bulk soil density (i.e. compaction). Biological properties, i.e. bacterial community structures, were affected by plant roots, AMF and earthworms, either directly in the bulk soil (AMF and plant roots) or indirectly via the drilosphere soil (earthworms). Overall, biological interaction between the three soil organisms showed that AMF had no signifi cant effect on earthworm biomass or survival and that earthworms did not infl uenced the mycorrhization rate or the hyphal length density of AMF. Earthworm survival was besides negatively affected by leek roots. Root exudates are supposed to be responsible of such a result. Finally, the effects of AMF or earthworms on plant performance varied according to the experiments. AMF positively affected shoot and/or root biomass (experiments 1 and 3) or had no effect (experiment 2), whereas earthworms had no signifi cant effect on plant growth. Moreover, the effects of AMF and earthworms on N or P content in the shoots were contrasting, depending probably on limiting soil nutrient content. In conclusion, although we studied the relationships between only three soil organisms, we showed that biotic interactions occurring in the soil are highly complex. Moreover, the three experiments highlighted the importance of measuring physical and chemical soil parameters when studying soil organism interactions and their infl uence on plant growth. From this point of view, an integrated approach aiming at measuring the effects of biological processes (e.g. interactions between soil living organisms) and physico-chemical ones (e.g. shrinkage analysis) is widely encouraged and seem, according to our results, very useful and promising for future studies.