Réponse du peuplier et de ses communautés microbiennes rhizosphériques et endophytes exposés au phénanthrène

Response of poplar and associated rhizospheric and endophytic microbial communities to phenanthrene

• Auteur / Autrice : Lilian Gréau
• Direction : Aurélie Cébron, Damien Blaudez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Fraissinet-Tachet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Cébron, Damien Blaudez, Etienne Yergeau, Abdelhak El Amrani, Joaquim Vila
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurence Fraissinet-Tachet, Etienne Yergeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endophytes

Transcriptome

Relations plante-microorganisme

Phytorestauration

Composés aromatiques polycycliques

Mots clés libres

Transcriptomique

Interactions plantes-Microorganismes

Polluants

Diversité

Phytoremédiation

Endophytes

Phytoremediation

Plant-Microbe interactions

Pollutants

Transcriptomic

Résumé

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants dans les sols dont l'élimination peut être effectuée par les plantes et les communautés microbiennes associées (phytoremédiation). Bien que les HAP puissent être absorbés et transportés dans les tissus végétaux, le rôle potentiel des endophytes dans la biodégradation des HAP et l'atténuation de leur toxicité a été sous-estimé au détriment des microorganismes rhizosphériques qui ont été largement étudiés. Dans ce contexte, il semble nécessaire d'évaluer la réponse de la plante et de son microbiome à la présence de HAP pour mieux comprendre l'impact global de la contamination du sol. La réponse du peuplier (Populus x canadensis) à un gradient de huit concentrations de phénanthrène (PHE), un HAP modèle à 3-cycles, a été étudiée en utilisant des stratégies complémentaires combinant l'analyse du transcriptome (par 2 approches : expression différentielle des gènes (DEGs) et utilisation de l'outil DRomics), des mesures d'activités enzymatiques en réponse au stress oxydatif et le suivi de la croissance des plantes. La biomasse des plantes était de plus en plus faible le long du gradient. La voie de l'éthylène mais aussi la biosynthèse des phénylpropanoïdes/flavonoïdes ont été stimulées par la présence de PHE. Les taux de transcrits et les niveaux d'activités de plusieurs gènes/enzymes impliqués dans la réponse au stress oxydatif ont également été stimulés. De plus, une concentration élevée de PHE altérait l'expression de gènes de défenses contre les stress biotiques dans les racines, tandis que l'activité photosynthétique était accrue. Ensuite, nous avons étudié l'impact du gradient de PHE sur les communautés microbiennes rhizosphériques et endophytiques par séquençage Illumina MiSeq. La contamination par les HAP a modifié les structures des communautés bactériennes et fongiques dans le sol alors que seules les communautés fongiques ont été impactées dans les racines. L'abondance relative de nombreux taxons a diminué en présence de HAP. L'exploration des fonctions bactériennes liées aux cycles biogéochimiques a révélé que plusieurs fonctions telles que la dégradation de la matière organique étaient négativement impactées par le PHE. A l'inverse, les dégradeurs potentiels de HAP ont été favorisés dans le sol exposé à ce contaminant. Enfin, le potentiel des endophytes pour atténuer le stress des plantes induit par le PHE a été étudié. Des isolats endophytes fongiques et bactériens ont été obtenus à partir de racines de peupliers cultivés dans un sol contaminé par le PHE. Leur capacité à promouvoir la croissance des plantes et à tolérer/biodégrader le PHE a été mise en évidence in vitro et les isolats les plus intéressants ont été réinoculés au peuplier. Parmi les différentes combinaisons testées, un consortium bactérien-fongique est apparu comme un candidat prometteur pour des perspectives de phytoremédiation. Globalement, l'utilisation d'une approche unique associant un gradient de contamination et des outils omiques, a permis de mettre en évidence l'impact d'une contamination par le PHE sur la physiologie du peuplier et ses communautés microbiennes associées. Ce travail est le premier à étudier les réponses couplées d'une plante avec ses microorganismes associés à la contamination par les HAP en utilisant une plante couramment utilisée en phytoremédiation et un sol présentant une contamination historique avec des communautés microbiennes adaptées.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent organic pollutants in soils. Their removal can be performed by plants and associated microbial communities (phytoremediation assisted by microorganisms). Although PAHs can be taken up and transferred in plant tissues, the role of endophytes in PAH-biodegradation and mitigation of PAH-toxicity has been underestimated at the expense of rhizospheric microorganisms that have been extensively studied. In this context, it is necessary to evaluate the response of both the plant and its associated microbiome to the presence of PAHs to better understand the overall impact of soil contamination. The response of Populus x canadensis to a gradient of eight concentrations of phenanthrene (PHE), a model 3-cycles PAH was investigated using complementary strategies combining transcriptome analysis (using both differentially expressed genes (DEGs) and DRomics tools), oxidative stress enzyme quantification and plant growth monitoring. Plant biomass decreased along the gradient. Ethylene pathway but also phenylpropanoid/flavonoid biosynthesis were triggered in a PHE concentration dependent manner. Poplar response to oxidative stress was highlighted both at the transcript and enzymatic levels. Moreover, high PHE concentrations impaired plant defenses against biotic stressors in roots while photosynthetic activity was elicited. Then, we investigated the impact of the PHE gradient on both rhizospheric and endophytic microbial communities by Illumina MiSeq sequencing. PAH contamination modified both bacterial and fungal community structures in soil while only fungal communities were impacted in roots. The relative abundance of many taxa decreased in the presence of PHE. The exploration of bacterial functions linked to biogeochemical cycles revealed that several functions such organic matter degradation was negatively impacted by PHE. Conversely, potential PAH-degraders were favoured in the soil exposed to this contaminant. Finally, the potential of endophytes to mitigate plant stress mediated by PHE was investigated. Fungal and bacterial endophytic isolates were retrieved from poplar roots grown in PHE contaminated soil. Their ability to promote plant growth and tolerate/biodegrade PHE was evidenced in vitro and the most interesting isolates were re-inoculated to poplar. Among the different combinations tested, a bacterial-fungal consortium appeared as a promising candidate for phytoremediation perspectives. Overall, the use of a unique approach associating a contamination gradient and multi-omics, highlighted the impact of a PHE contamination on poplar physiology and its associated microbial communities. This work is the first to investigate plant-microbial responses to PAH contamination using a plant commonly used in phytoremediation and an aged contaminated soil with adapted microbial communities.