Implication des champignons et des bactéries dans le cycle de l'azote et la production de N2O dans le sol

Fungal and bacterial involvement in nitrogen cycling and N2O production in soil

• Auteur / Autrice : Christoph Keuschnig
• Direction : Pascal Simonet, Catherine Larose
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie du vivant
• Date : Soutenance le 06/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) - Ampère, Département Bioingénierie
• Jury : Président / Présidente : Timothy Vogel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Simonet, Catherine Larose, Leif Klemedtsson, Sophie Zechmeister-Boltenstern, Télesphore Sime Ngando
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kirsten S. Hofmockel, Wietse de Boer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Microbiologie

Cycle de l'azote

Mots clés libres

Protoxyde d’azote

Monoxyde d’azote

Cycle de l'azote

Champignons

Bactéries

Sol

Gaz à effet de serre

Nitous oxide

Nitric oxide

Nitrogen cycle

Fungi

Bacteria

Soil

Greenhouse gas

Résumé

L'objectif principal de cette thèse est de déterminer le rôle des communautés microbiennes dans les émissions de N2O du sol, et plus précisément de définir dans quelle mesure les champignons sont impliqués. Par conséquent, leur structure communautaire à l'échelle micro, leur comportement dans la réduction de l'azote et la production de N2O, et leur interaction avec les communautés microbiennes impliquées dans le cycle de l'azote en tant que décomposeurs de matière organique dans le sol ont été étudiés. L'analyse des fractions de sol du parc Rothamsted a montré que les communautés fongiques changent au sein de fractions isolées, contrairement aux communautés bactériennes. De plus, des potentiels de nitrification, de dénitrification et de réduction de N2O ont été détectés dans toutes les fractions et se sont révélés liés à la chimie du carbone et de l'azote. Des expériences quantifiant la production de NO et N2O à partir de nitrite sur 24 souches de champignons de culture pure ont montré que les espèces de Fusarium sont de véritables producteurs de N2O parmi les champignons. Le suivit de NO a révélé que le milieu de nitrite est instable dans des conditions anoxiques et produit du NO abiotiquement, ce qui implique que des souches produisant du N2O à de faibles taux détoxifient ce NO plutôt que de le respirer, comme précédemment supposé. L’absence d’un nirK - p450nor dans la plupart des champignons a étayé cette hypothèse. Les relations interspécifiques entre champignons et bactéries ont été étudiées après l'addition de matière organique. Différentes modifications organiques ont déclenché des réponses distinctes en termes d’activité bactérienne et fongique sein d'une même communauté de sol. Les signatures fonctionnelles identifiées dans cette étude corroborent notre hypothèse selon laquelle les champignons sont impliqués dans la production de N2O en influençant les bactéries impliquées dans le cycle N par des processus de dégradation de glucides. Les résultats de cette thèse fournissent une base pour explorer les relations interspécifiques dans le cycle biogéochimique de l’azote dans le sol et marque une étape vers l'intégration de tous les membres de la communauté dans la recherche sur les écosystèmes du sol.

The main objective of this thesis is to determine the role of microbial communities in N2O emissions from soil, and more specifically to define to what extent fungi are involved. Therefore, their community structure at the micro scale, their behavior in reducing nitrogen and producing N2O, and their impact on nitrogen cycling communities as decomposers in soil were investigated. Analysis of soil fractions of unmanaged, pristine Rothamsted Park Grass soil showed that fungal communities change within isolated fractions in contrast to bacterial communities. Also, nitrifying, denitrifying and N2O reducing potentials were detected in all fractions and found to be linked to carbon and nitrogen chemistry. Pure culture experiments on 24 fungal strains quantifying NO and N2O production from nitrite showed that Fusarium species are true N2O producers among fungi. Monitoring NO revealed that nitrite medium is unstable under anoxic conditions and produces NO abiotically, which implies that low N2O producing strains are actually detoxifying this NO rather than respiring it, as previously assumed. The lack of a nirK - p450nor in most fungi supported this hypothesis. Interspecies relationships between fungi and bacteria were studied following community development after organic matter addition. Different organic amendments triggered distinct responses of a soil community with respect to bacterial and fungal activity. Functional signatures identified in this study corroborated our hypothesis that fungi are involved in N2O production by influencing a N-cycling bacterial community via carbohydrate degradation processes. The results from this thesis provide a basis for exploring interspecies relationships in nitrogen cycling processes in soil and mark a step towards integrating all members of the community in soil ecosystem research.