Comment la nature des métabolites primaires exsudés par les plantes régule la dénitrification dans la rhizosphère ?

How the nature of primary metabolites exuded by plants controls the denitrification process in the rhizosphere ?

• Auteur / Autrice : Theophile Franzino
• Direction : Feth-el-Zahar Haichar, Judit Szecsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Microbiologie, adaptation et pathogénie (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Yvan Moënne-Loccoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Feth-el-Zahar Haichar, Judit Szecsi, Alia Dellagi, Stéphane Hacquard, Aurélie Deveau, Nathan Vannier, Mohammed Bendahmane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alia Dellagi, Stéphane Hacquard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Exsudats

Cultures et sols

Dénitrification

Teneur en azote

Gaz à effet de serre

Mots clés libres

Repression catabolique du carbone

Dénitrification

Exsudats racinaires

Communauté microbienne

Auxine

Jasmonate

Pseudomonas fluorescens F113

Carbon catabolic repression,

Denitrification

Root exudates

Microbial community

Auxin

Jasmonate

Pseudomonas fluorescens F113

Résumé

De nos jours, pour améliorer les rendements agricoles de plus en plus d’intrants azotés sont utilisés ce qui conduit à une élévation non négligeable de la concentration en protoxyde d’azote (N2O) dans l'atmosphère. Le N2O est un gaz à effet de serre dont l'impact est 300 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO2) à quantité équivalente. Les émissions de N2O proviennent principalement du processus de la dénitrification. En effet, la dénitrification est une respiration alternative uniquement réalisée par les microorganismes consistant en à réduire progressivement le nitrate (NO3-) en diazote (N2) en absence d’oxygène. C’est également une source majeure de perte d’azote dans le sol affectant la productivité des exploitations agricoles en plus de l’émissions importante de N2O atmosphérique. De ce fait, comprendre comment le la dénitrification est régulée dans la rhizosphère nous permettrait de limiter les émissions de N2O ainsi que des perte d’azote dans les sols. La dénitrification nécessite l’absence d’oxygène, la présence d’une source d’azote comme le NO3- mais aussi la présence d’une source de carbone facilement assimilable (composés organiques). A ce jour, de nombreuses études se sont intéressées à la régulation de la dénitrification par l’oxygène et par le nitrate mais peu d’informations sont connues sur le lien avec le métabolisme du carbone. Dans le cycle du Carbone, l’exsudation racinaire retrouvée dans la rhizosphère, représente jusqu’à 20% du carbone fixé par les plantes durant la photosynthèse. Il va représenter une source non négligeable d’énergie pour l’établissement et l’activité des communautés microbiennes du sol. En présence de différents substrats organiques, le mécanisme de la répression catabolique du carbone (CCR) permet aux bactéries de hiérarchiser l’assimilation de ces différents substrats carbonés de façon à optimiser leur croissance. De plus la CCR régule également d’autres fonctions physiologiques de la bactérie telles que la virulence, la formation de biofilm ainsi que la colonisation des racines. Dans ce contexte, l’objectif général de cette étude est d'explorer l'influence de la plante via l’exsudation racinaire sur la physiologie des microorganismes qui lui sont associées, et notamment le rôle de la CCR dans la régulation de la dénitrification. La modulation de cette activité microbienne aura en retour une conséquence sur la croissance et la santé de la plante.Afin de répondre à l’objectif de cette thèse, nous avons dans un premier temps étudier le rôle de la CCR dans la régulation de la dénitrification. Les résultats obtenus en utilisant la souche modèle Pseudomonas fluorescens F113, bactérie dénitrifiante et colonisatrice des racines de plants, ainsi que de la plante modèle Arabidopsis thaliana Col-0 nous ont permis de mettre en évidence le rôle répresseur de la CCR sur l’expression des gènes de la dénitrification chez F113. L’utilisation de lignées mutantes de Col-0 exprimant des profils d’exsudations différents ont également permis de montrer qu’en présence d’une exsudation enrichie en sucre, les gènes de la dénitrification étaient surexprimés. Durant la deuxième partie de cette étude, nous avons étudié l’influence des exsudats racinaires sur le recrutement du microbiote de la plante et le retour du microbiote sur la balance hormonale de la plante. Nos résultats démontrent une communication active entre la plante et son microbiote où l’exsudation racinaire va moduler l’influence du microbiote sur la physiologie de la plante. Ainsi au terme de cette étude, nous démontrons l’importance du rôle des exsudats racinaires dans l’établissement des interactions plantes-bactéries et dans la régulation de la dénitrification. Dans la continuation, l'élargissement de ces études en présence de communauté complexe du sol nous permettra d'établir des stratégies de limitation de l’émission atmosphérique de N2O et donc de la dénitrification dans les sols.

Nowadays, in order to improve crop yields, more and more nitrogenous inputs are used, which leads to a significant increase in the concentration of nitrous oxide (N2O) in the atmosphere. N2O is a greenhouse gas whose impact is 300 times greater than that carbon dioxide (CO2) in equivalent quantities. N2O emissions come in majority from the process of denitrification. The denitrification is an alternative microbial respiration process consisting in the progressive reduction of nitrate (NO3-) to nitrogen (N2) in the absence of oxygen. It is also a major source of nitrogen loss in the soil affecting plant productivity in addition to the significant emission of atmospheric N2O. Therefore,understanding how denitrification is regulated in the rhizosphere would allow us to limit N2O emissions as well as nitrogen loss in soils. The denitrification is induced in absence of oxygen, and in presence of a nitrogen source such as NO3- and an easily assimilable carbon source of (organic compounds). To date, many studies have focused on the regulation of denitrification by oxygen and nitrate but little information is known about the link with carbon metabolism.Root exudation in the rhizosphere, representing up to 20% of the carbon fixed by plants during photosynthesis, represent a significant source of energy for the establishment and activity of soil microbial communities. In the presence of different organic substrates, the mechanism of catabolic carbon repression (CCR) allows the bacteria to prioritize the assimilation of these substrates in order to optimize their growth. In parallel, there is a repression of the catabolism of the non-preferred substrates. Moreover, CCR also regulates other physiological functions of the bacteria such as virulence, biofilm formation and root colonization. In this context, the general objective of this study is to explore the influence of the plant by their root exudation on the physiology of its associated microorganisms, and in particular the role of CCR in the regulation of denitrification and the consequence of this influence on the growth and health of the plant.In order to meet the objective of this thesis, we first studied the role of CCR in the regulation of denitrification. The results obtained by using the model strain Pseudomonas fluorescens F113, a denitrifying bacterium that colonizes the roots of plants, and the model plant A. thalina Col-0 allowed us to highlight the repressive role of the CCR on the expression of denitrification genes in F113. Furthermore, the use of Col-0 mutant lines expressing different exudation profiles also allowed us to show that in the presence of sugar-enriched exudation, denitrification genes were overexpressed suggestion a better denitrification activity. In the second part of this study, we investigated the influence of root exudates on the recruitment of the plant microbiota and what the feedback of the microbiota will be on the hormonal balance of the plant. Our results demonstrate an active communication between the plant and its microbiota where root exudation will modulate the influence of the microbiota on the plant physiology. In the end, this study demonstrates the importance of the role of root exudates in the establishment of plant-bacteria interactions and in the regulation of denitrification. As a next step, we plan to extend this study to complex rhizosphere context in order to truly understand the regulation of denitrification in soils in order to establish appropriate strategies to limit the atmospheric emission of N2O.