Manipulation du microbiome rhizosphérique et son application en phytoremédiation

Le microbiome de la rhizosphère fait généralement référence aux communautés bactériennes, archées et fongiques ainsi qu'à leur matériel génétique entourant étroitement les systèmes racinaires des plantes. Le métagénome de ce microbiome a été appelé le deuxième génome de la plante puisqu’elle est capable de profiter de plusieurs fonctions dont elle manque. La communauté microbienne de la rhizosphère inclue entre autres des microorganismes ayant développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Il s'agit d'une communauté dynamique de microorganismes, à partir de laquelle une partie d’espèces a développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Les progrès récents dans l’étude des interactions plantes-microbes ont démontré leur impact considérable sur la croissance, la nutrition et la santé des plantes. Le microbiote de la rhizosphère est complexe avec une structure spatio-temporelle dynamique qui s'adapte rapidement en fonction des stress biotiques et abiotiques. Considérant l’importance du microbiome de la rhizosphère pour la santé des plantes, des informations précises sur leurs microbes associés sont d'une importance capitale pour déchiffrer les mécanismes d'adaptation des plantes aux stress médiés par le microbiome et comprendre comment les plantes recrutent des taxons microbiens clés pour mieux faire face aux conditions stressantes. Pour ce faire, nous avons mené trois études afin de faire la lumière sur les facteurs qui jouent un rôle dans le recrutement et la structure du microbiome de la rhizosphère de plantes dans les milieux stressés. Dans un premier lieu, nous avons testé si des inoculations répétées avec des protéobactéries influençaient la productivité des plantes et les communautés microbiennes associées à la rhizosphère de quatre espèces végétales poussant dans des sédiments contaminés par des hydrocarbures pétroliers. Une expérience de mésocosme a été réalisée en conception de blocs randomisés avec deux facteurs : 1) la présence ou l'absence de quatre espèces végétales collectées dans un bassin de sédimentation d'une ancienne usine pétrochimique, et 2) l'inoculation ou non avec un consortium bactérien composé de dix isolats de Protéobactéries. Les plantes ont été cultivées en serre pendant quatre mois. Le séquençage d'amplicon MiSeq, ciblant le gène de l'ARNr 16S bactérien l’ITS fongique, a été utilisé pour évaluer les structures de la communauté microbienne des sédiments provenant de mesocosmes plantés ou non plantés. Nos résultats ont montré qu’alors que l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés microbiennes, la présence de la plante et de son identité spécifique avait une influence plus forte sur la structure du microbiome dans les sédiments contaminés par les hydrocarbures pétroliers.  Ensuite, en utilisant le même dispositif expérimental, nous avons utilisé le séquençage d'amplicon MiSeq ciblant le gène de l'ARNr 18S pour évaluer les structures communautaires AMF dans les racines et la rhizosphère de plantes poussant dans des substrats contaminés et non contaminés. Nous avons également étudié la contribution de l'identité spécifique des plantes et du biotope (racines des plantes et sol rhizosphérique) dans la formation des assemblages AMF associés. Nos résultats ont montré que si l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés AMF, la contamination du substrat avait une influence beaucoup plus forte sur leur structure, suivie par le biotope et l'identité végétale dans une moindre mesure. De plus, l'inoculation augmentait considérablement la production de biomasse végétale et était associée à une diminution de la dissipation des hydrocarbures pétroliers dans le sol contaminé. Le résultat de cette étude fournit des connaissances sur les facteurs influençant la diversité et la structure communautaire de l'AMF associée aux plantes en milieux stressés à la suite d’inoculations répétées d'un consortium bactérien. Finalement, nous avons testé l’effet d’une inoculation d’arbres avec des champignons mycorhiziens spécifiques sur leur survie et croissance, ainsi que l’extraction de métaux traces. Pour ce faire, une expérience sur le terrain a été menée dans laquelle nous avons cultivé le clone de Salix miyabeana "SX67" sur le site d'une décharge industrielle déclassée, et inoculé les arbustes avec le champignon arbusculaire mycorhizien Rhizophagus irregularis, le champignon ectomycorhizien Sphaerosporella brunnea, ou un mélange des deux. Après deux saisons de croissance, les saules inoculés avec le champignon S. brunnea ont produit une biomasse significativement plus élevée. Le Ba, le Cd et le Zn se sont avérés être accumulés dans les parties aériennes des plantes, où le Cd présentait les valeurs de facteur de bioconcentration les plus élevées dans tous les traitements. De plus, les parcelles où les saules ont reçu l'inoculation de S. brunnea ont montré une diminution significative des concentrations de Cu, Pb et Sn dans le sol. L'inoculation avec R. irregularis ainsi que la double inoculation n'ont pas influencé de manière significative la production de biomasse et les niveaux d’éléments traces du sol. Le résultat de cette étude apporte des connaissances sur la diversité et l’écophysiologie des microbes de la rhizosphère associés aux plantes de croissance spontanée à la suite d’inoculations répétées.  De plus ils montrent le potentiel de l’utilisation de champignons mycorhiziens afin d’améliorer la santé et croissance des plantes dans des milieux pollués et toxiques. Ils soulignent aussi l'importance de la sélection des plantes afin de faciliter leur gestion efficace et accélérer les processus de remise en état des terres. The rhizosphere microbiome generally refers to the bacterial, archaea, and fungal communities and their genetic material that closely surrounds the root systems of plants. The metagenome of this microbiome has been called the second genome of the plant because it is able to take advantage of several functions that it lacks. It is a vibrant community of microorganisms, from which part of the species has developed long-lasting, specific and intimate interactions with plant roots. Recent advances in the study of plant-microbe interactions have demonstrated their considerable impact on plant growth, nutrition and health. The rhizosphere microbiota is complex with a dynamic spatio-temporal structure which adapts rapidly to biotic and abiotic stresses. Considering the importance of the rhizosphere microbiome to plant health, accurate information about their associated microbes is of utmost importance in deciphering the mechanisms of plant adaptation to microbiome-mediated stress, and understanding how plants recruit key microbial taxa to better cope with stressful conditions. To do this, we conducted three studies to shed light on the factors that play a role in the recruitment and structure of the microbiome of the rhizosphere of plants in stressed environments. First, we tested whether repeated inoculations with Proteobacteria influenced the productivity of plants and the microbial communities associated with the rhizosphere of four plant species growing in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. A mesocosm experiment was carried out in design of randomized blocks with two factors: 1) the presence or absence of four plant species collected in a sedimentation basin of a former petrochemical plant, and 2) inoculation or not with a bacterial consortium made up of ten isolates of Proteobacteria. The plants were grown in the greenhouse for four months. MiSeq amplicon sequencing, targeting the bacterial 16S rRNA gene and the fungal ITS, was used to assess the microbial community structures of sediments from planted and unplanted microcosms. Our results showed that while inoculation caused a significant change in microbial communities, the presence of the plant and its specific identity had a stronger influence on the structure of the microbiome in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. Next, using the same experimental setup, we used MiSeq amplicon sequencing targeting the 18S rRNA gene to assess AMF community structures in the roots and rhizosphere of plants growing in contaminated and uncontaminated substrates. We also studied the contribution of the specific identity of plants and the biotope (plant roots and rhizospheric soil) in the formation of associated AMF assemblages. Our results showed that while inoculation caused a significant change in AMF communities, substrate contamination had a much stronger influence on their structure, followed by biotope and plant identity to a lesser extent. In addition, inoculation dramatically increased plant biomass production and was associated with decreased dissipation of petroleum hydrocarbons in contaminated soil. The result of this study provides knowledge on the factors influencing the diversity and community structure of AMF associated with plants in stressed environments following repeated inoculations of a bacterial consortium. Finally, we tested the effect of inoculating trees with specific mycorrhizal fungi on their survival and growth, as well as the extraction of trace metals. To do this, a field experiment was carried out in which we cultivated the Salix miyabeana "SX67" clone on the site of a decommissioned industrial landfill and inoculated the shrubs with the arbuscular mycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis, the ectomycorrhizal fungus Sphaerosporella brunnea, or a mixture of both. After two growing seasons, willows inoculated with the fungus S. brunnea produced a significantly higher biomass. Ba, Cd and Zn were found to accumulate in the aerial parts of plants, where Cd had the highest bioconcentration factor values in all treatments. In addition, the plots where the willows were inoculated with S. brunnea showed a significant decrease in the concentrations of Cu, Pb and Sn in the soil. The inoculation with R. irregularis as well as the double inoculation did not significantly influence the biomass production and the soil trace elements levels The result of this study provides insight into the diversity and ecophysiology of rhizosphere microbes associated with spontaneously growing plants following repeated inoculations. In addition, they show the potential of using mycorrhizal fungi to improve plant health and growth in polluted and toxic environments. They also stress the importance of plant selection to facilitate their efficient management, in order to speed up land reclamation processes.

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