Faculté des sciences

Influence d'une augmentation en pCO2 atmosphérique sur les communautés bactériennes associées à Molinia coerulea

Hamelin, Jérôme ; Aragno, Michel (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2003 ; 1740.

La thèse traite de l'influence de l'augmentation de la teneur en dioxide de carbone de l'atmosphère observée depuis un siècle sur terre. Nous avons postulé que l'augmentation en CO2 atmosphérique modifierait en premier lieu les microorganismes du sol situés à proximité des racines, car cela altérerait la quantité et la qualité des exsudats racinaires. Nous nous sommes plus... Plus

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    Résumé
    La thèse traite de l'influence de l'augmentation de la teneur en dioxide de carbone de l'atmosphère observée depuis un siècle sur terre. Nous avons postulé que l'augmentation en CO2 atmosphérique modifierait en premier lieu les microorganismes du sol situés à proximité des racines, car cela altérerait la quantité et la qualité des exsudats racinaires. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux communautés bactériennes associées au système racinaire des graminées pérennes. En effet, ces plantes sont particulièrement intéressantes dans ce contexte car d'une part, elles poussent au même endroit d'une année à l'autre et d'autre part, les graminées sont connues pour allouer une grande part des produits de la photosynthèse dans l'interface sol-racine, nommée rhizosphère. La plante modèle choisie est Molinia coerulea (la canche bleue), une graminée pérenne hémicryptophyte qui pousse naturellement dans des sols ayant très peu d'azote disponible (sols à nappe battante, tourbières). Nous pensons que l'écologie et la physiologie même de cette plante en fait une candidate idéale pour réagir à une augmentation en CO2 atmosphérique. Le manuscrit suit trois axes principaux correspondant aux trois grands thèmes menés en parallèle: La première partie s'intéresse aux communautés microbiennes dans leur ensemble. Nous avons particulièrement orienté nos efforts sur l'interprétation statistique des empreintes moléculaires (fingerprint). Ces fingerprints sont basés sur la séparation éléctrophorétique en gel avec gradient de dénaturation (DGGE) du gène ribosomique 16S. Des indices de diversité spécialement adaptés aux fingerprints ont été mis au point pour permettre une meilleure interprétation des profils. Les méthodes d'ordination (AFC et ACC) appliquées à ces profils moléculaires ont permis de mettre en exergue des populations de d-protéobactéries plus abondantes près des racines lorsque les plantes étaient cultivées sous une atmosphère enrichie en CO2. De même, on a repéré des populations d'actinomycètes peu abondantes mais actives dans le sol dans ces mêmes conditions de culture. La technique Biolog nous a permis de montrer que les communautés bactériennes de la rhizosphère, et non celles du sol distant des racines, réagissaient à une augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique. Les hydrates de carbones sont en particulier plus facilement consommés sont par les communautés racinaires sous atmosphère enrichie. La deuxième partie de mon doctorat a concerné les populations du genre Pseudomonas. Nous avons d'abord mis au point un outil de caractérisation de la diversité spécifique à ce genre, puis nous avons caractérisé cette diversité dans la prairie naturelle. Enfin, nous avons comparé les Pseudomonas réducteurs de nitrate (première étape de la dénitrification) sous atmosphère enrichie et sous atmosphère ambiante. La troisième partie du travail est consacrée aux bactéries fixatrices d'azote (BFN). Nous avons choisi comme marqueur moléculaire le gène nifH (codant pour la nitrogénase réductase, l'enzyme clé de la nitrogénase) pour suivre la guilde des BFN dans l'environnement racinaire. Le résultat le plus frappant a été la mise en évidence d'un groupe de BFN non-cultivables qui représentaient 58% des BFN dans l'environnement naturel de Molinia coerulea. Les BFN semblent présentes aussi bien dans les racines que dans le sol environnant, mais la fixation d'azote semble s'effectuer uniquement dans la racine (détection des transcrits des gènes nifH). Nous en avons conclu que le sol pouvait servir d'habitat et de réservoir aux BFN mais que c'était la racine qui constituait le véritable siège de la fixation d'azote dans notre système.
    Summary
    The thesis deals with the influence of the rising of the atmospheric carbon dioxide content observed on earth since one century. We postulated that the global changes would first alter the soil organisms located near the roots because of a modification of the quantity and quality of root exudates with an elevation of CO2 content. We focused on the microbial communities living near the roots of perennial grasses. They are particularly interesting because they grow at the same place from one year to an other and grasses are known to allocate an especially huge amount of photosynthesis derived carbon in the soil-root interface, called the rhizosphere. The model plant studied is Molinia coerulea, an hemicryptophytic perennial grass, naturally occurring in available nitrogen poor soil. We postulated that its physiology allow to react to an increase of atmospheric CO2 content. The manuscript followed three main axes. The first part deals with the microbial communities taken as a whole. A special effort has been intended in the statistical interpretation of 16S rDNA DGGE fingerprinting profiles. New diversity indices were designed to better interpret the profiles. Ordination methods (CA and CCA) were successfully applied: active delta-proteobacteria populations were highlighted near the roots under elevated CO2 conditions and non-dominant but active actinobacteria were characteristic of the soil environment. The physiological status of the bacterial communities has been studied using BIOLOG plates. As expected, the bacterial root community under elevated CO2 better metabolized the carbohydrates than the control one. The second part of the manuscript focused on the Pseudomonas genus. We first described the diversity of the Pseudomonas present in the natural conditions were Molinia coerulea is found. We showed an increase of the nitrate reducing Pseudomonas under elevated CO2 content. The third part of the manuscript targeted the nitrogen-fixing bacteria (NFB) in the rhizospheric environment. We used the nifH gene (encoding for the catabolic unit of the dinitrogenase reductase) as molecular marker to follow the guild of NFB. The most striking result is the dominance of an uncultured group of NFB in the natural condition detected by molecular methods. Working on nifH mRNA leads to an other important result. The NFB seems to be either present in soil and root environments but the NFB were only active near the roots. We concluded that the soil could be a reservoir of NFB and the root itself could be considered as the niche for NFB.