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Yvan Moënne-Loccoz
UMR CNRS Ecologie Microbienne, Université Lyon 1
<yvan.moenne-loccoz@univ-lyon1.fr>


Performance du système racinaire et inoculants microbiens:
             nutrition minérale et hydrique

    1. Inoculation de microorganismes bénéfiques
    2. Effets directs sur la nutrition minérale et hydrique de la plante
    3. Effets indirects sur la nutrition minérale et hydrique de la plante
    4. Vue d’ensemble

    5. Verrous en amont
    6. Verrous stratégie d’inoculation             Présentation modifiée pour permettre
    7. Verrous en aval                             sa diffusion au sein de Qualiméditerranée
1. Inoculation de microorganismes bénéfiques
 Qui ?
 • Bactéries et champignons.
 • Absents ou pas dans le sol.
 • Si déjà présents, problème d’effectif ou d’efficacité (diversité microbienne).



  Bactéries inoculées (vert) sur racine
   Bactéries inoculées (vert) sur racine
   (Prigent-Combaret, Univ Lyon 1)




                                                         Champignons mycorhiziens
                                                               (Raven et al. 1999)
1. Inoculation de microorganismes bénéfiques
 Qui ?
 • Bactéries et champignons.
 • Absents ou pas dans le sol.
 • Si déjà présents, problème d’effectif ou d’efficacité (diversité microbienne).

 Quelle association avec la plante ?
 • Microbes: à l’extérieur (rhizosphère) et/ou dans la racine (endophytes).
 • Coopérations/symbioses, à spectres étroits ou larges.

 Conditions de fonctionnement
 • Stratégie écologique, co-évolution et sélection des adaptations.
 • Donc, vraisemblablement:
    ancien (avant la domestication),
    complexe (plusieurs mécanismes),
    et régulé (environnement, niveau d’intrant).
2. Effets directs sur la nutrition minérale et
            hydrique de la plante
 Nutrition minérale :
 • Fixation biologique de l’azote
 • Solubilisation des phosphates
 • Minéralisation de nutriments organiques
 • Stimulation absorption racinaire

 Nutrition hydrique :
 • Aquaporines racinaires (expression gènes ZmPIP)
 • Microstructuration de la rhizosphère par les EPS microbiens
2. Effets directs sur la nutrition minérale et
            hydrique de la plante
 Nutrition hydro-minérale : développement du système racinaire
 • Synthèse microbienne de phytohormones (auxines etc.) et autres signaux
 • Interférence avec le métabolisme végétal de l’éthylène (activité ACC
   désaminase) ; également protection contre le stress … dont stress hydrique




                                      Inoculation bactérie
                   Maïs non inoculé
                                          Azospirillum
3. Effets indirects sur la nutrition minérale et
             hydrique de la plante
  Autres types d’effets sur la plante :
  • Protection vis-à-vis des pathogènes (antagonisme, ISR, etc.)
  • Effets multiples sur le métabolisme

                                DIMBOA-Glc                HDMBOA-Glc                 MBOA
                                                                               MeO
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                 CRT1               ↗                         ↗                      ↘
                CFN535              ↗                         ↗                      ↘
                UAP154              ↘                          =                      =


              Quelle conséquence pour la nutrition hydro-minérale ?
   (+ le DIMBOA est un attractant pour d’autres bactéries bénéfiques; Neal et al. 2012)
3. Effets indirects sur la nutrition minérale et
             hydrique de la plante

Effets sur le reste de la communauté microbienne :
• Stimulation bactérienne de la mycorhization
• Effets sur d’autres microorganismes?
    Via modification de l’exsudation racinaire
    Via effet sur les protozoaires (prédateurs)
    Via effet sur les microorganismes phytobénéfiques indigènes (signaux)
    Etc.
   … impact écologique
4. Vue d’ensemble
    Modes d’action :
    • Sans doute pas tous connus. Cf. nouveaux signaux
    • Souvent plusieurs types d’effets, voire plusieurs modes d’action
      microbiens pour un même effet (pour l’ISR, ou pour la rhizogénèse)

    Mise en place des effets phytobénéfiques :
    • Différentes dynamiques de colonisation microbienne de la plante
    • Différentes dynamiques d’expression (lié exsudation, etc.)


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                                                       Effets hormonaux
                                                                    Fixation libre N
                                                                    Mycorhizes
5. Verrous en amont

Manque de connaissances scientifiques :
• Quels modes d’action ?
• Comment ces modes d’action sont-ils régulés ?
• Quelle est l’écologie des microorganismes ?

Manque d’approches intégrées :
• Prise en compte du sol et du climat
• Prise en compte des populations microbiennes bénéfiques indigènes
• Prise en compte de la plante : génétique, développement, physiologie
Importance de la génétique de la plante
                                                    0,025




                                                                    PCA 2 : 17%
                          a
                                                        0,02



                                  ab
                                                    0,015
         Northern Flint
                                                b

                                                        0,01

                                                                    b
                                                    0,005
                 European Flint
                                                          b
                                                                                                                                  PCA 1 : 20%
                                                           0
-0,02   -0,015        -0,01            -0,005
                                                    b           0                 0,005           0,01   0,015       0,02       0,025           0,03
                                                                                                                 b
                                                                                              b
                                                    -0,005          Stiff Stalk
                                                                                          b                                        a
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                                                        -0,01



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                                                        -0,02




 La composition de la communauté bactérienne de la rhizosphère du
 maïs dépend en partie du groupe génétique de maïs (Bouffaud et al. 2012)
6. Verrous stratégie d’inoculation

Sélection des souches :
• Souvent empirique

Type d’inoculants :
• Utilisation de souches individuelles ou de mélanges/consortia
• Utilisation conjointe de souches et d’effecteurs
• Compatibilité, effets additifs … ou pas
Interactions entre différents inoculants
               au champ
                   Développement racinaire maïs




                            Témoin




       Walker et al. 2012

                                                  … c’est vite complexe
6. Verrous stratégie d’inoculation
Conditions d’utilisation :
• Mode de préparation de la biomasse microbienne + formulation
• Mode d’apport, techno-semence
• Mesures d’accompagnement (pratiques culturales) : réaliste ?
• Fertilité du sol et niveau des intrants (matières fertilisantes, eau)
7. Verrous en aval

Outils de suivi de l’inoculant :
• Survie au champ
• Physiologie et expression génique

Outils de suivi des effets de l’inoculation :
• Interactions avec les populations indigènes
• Réactions physiologiques de la plante

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Atelier 4 - Performance du système racinaire et inoculants microbiens : nutrition minérale et hydrique : Etat de l'art

  • 1. Yvan Moënne-Loccoz UMR CNRS Ecologie Microbienne, Université Lyon 1 <yvan.moenne-loccoz@univ-lyon1.fr> Performance du système racinaire et inoculants microbiens: nutrition minérale et hydrique 1. Inoculation de microorganismes bénéfiques 2. Effets directs sur la nutrition minérale et hydrique de la plante 3. Effets indirects sur la nutrition minérale et hydrique de la plante 4. Vue d’ensemble 5. Verrous en amont 6. Verrous stratégie d’inoculation Présentation modifiée pour permettre 7. Verrous en aval sa diffusion au sein de Qualiméditerranée
  • 2. 1. Inoculation de microorganismes bénéfiques Qui ? • Bactéries et champignons. • Absents ou pas dans le sol. • Si déjà présents, problème d’effectif ou d’efficacité (diversité microbienne). Bactéries inoculées (vert) sur racine Bactéries inoculées (vert) sur racine (Prigent-Combaret, Univ Lyon 1) Champignons mycorhiziens (Raven et al. 1999)
  • 3. 1. Inoculation de microorganismes bénéfiques Qui ? • Bactéries et champignons. • Absents ou pas dans le sol. • Si déjà présents, problème d’effectif ou d’efficacité (diversité microbienne). Quelle association avec la plante ? • Microbes: à l’extérieur (rhizosphère) et/ou dans la racine (endophytes). • Coopérations/symbioses, à spectres étroits ou larges. Conditions de fonctionnement • Stratégie écologique, co-évolution et sélection des adaptations. • Donc, vraisemblablement:  ancien (avant la domestication),  complexe (plusieurs mécanismes),  et régulé (environnement, niveau d’intrant).
  • 4. 2. Effets directs sur la nutrition minérale et hydrique de la plante Nutrition minérale : • Fixation biologique de l’azote • Solubilisation des phosphates • Minéralisation de nutriments organiques • Stimulation absorption racinaire Nutrition hydrique : • Aquaporines racinaires (expression gènes ZmPIP) • Microstructuration de la rhizosphère par les EPS microbiens
  • 5. 2. Effets directs sur la nutrition minérale et hydrique de la plante Nutrition hydro-minérale : développement du système racinaire • Synthèse microbienne de phytohormones (auxines etc.) et autres signaux • Interférence avec le métabolisme végétal de l’éthylène (activité ACC désaminase) ; également protection contre le stress … dont stress hydrique Inoculation bactérie Maïs non inoculé Azospirillum
  • 6. 3. Effets indirects sur la nutrition minérale et hydrique de la plante Autres types d’effets sur la plante : • Protection vis-à-vis des pathogènes (antagonisme, ISR, etc.) • Effets multiples sur le métabolisme DIMBOA-Glc HDMBOA-Glc MBOA MeO MeO O O MeO O O O Glc Glc O N N O H N O OH OMe CRT1 ↗ ↗ ↘ CFN535 ↗ ↗ ↘ UAP154 ↘ = = Quelle conséquence pour la nutrition hydro-minérale ? (+ le DIMBOA est un attractant pour d’autres bactéries bénéfiques; Neal et al. 2012)
  • 7. 3. Effets indirects sur la nutrition minérale et hydrique de la plante Effets sur le reste de la communauté microbienne : • Stimulation bactérienne de la mycorhization • Effets sur d’autres microorganismes?  Via modification de l’exsudation racinaire  Via effet sur les protozoaires (prédateurs)  Via effet sur les microorganismes phytobénéfiques indigènes (signaux)  Etc. … impact écologique
  • 8. 4. Vue d’ensemble Modes d’action : • Sans doute pas tous connus. Cf. nouveaux signaux • Souvent plusieurs types d’effets, voire plusieurs modes d’action microbiens pour un même effet (pour l’ISR, ou pour la rhizogénèse) Mise en place des effets phytobénéfiques : • Différentes dynamiques de colonisation microbienne de la plante • Différentes dynamiques d’expression (lié exsudation, etc.) 0 10 20 30 jours Effets hormonaux Fixation libre N Mycorhizes
  • 9. 5. Verrous en amont Manque de connaissances scientifiques : • Quels modes d’action ? • Comment ces modes d’action sont-ils régulés ? • Quelle est l’écologie des microorganismes ? Manque d’approches intégrées : • Prise en compte du sol et du climat • Prise en compte des populations microbiennes bénéfiques indigènes • Prise en compte de la plante : génétique, développement, physiologie
  • 10. Importance de la génétique de la plante 0,025 PCA 2 : 17% a 0,02 ab 0,015 Northern Flint b 0,01 b 0,005 European Flint b PCA 1 : 20% 0 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005 b 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 b b -0,005 Stiff Stalk b a Tropical Corn Belt Dent -0,01 -0,015 -0,02 La composition de la communauté bactérienne de la rhizosphère du maïs dépend en partie du groupe génétique de maïs (Bouffaud et al. 2012)
  • 11. 6. Verrous stratégie d’inoculation Sélection des souches : • Souvent empirique Type d’inoculants : • Utilisation de souches individuelles ou de mélanges/consortia • Utilisation conjointe de souches et d’effecteurs • Compatibilité, effets additifs … ou pas
  • 12. Interactions entre différents inoculants au champ Développement racinaire maïs Témoin Walker et al. 2012 … c’est vite complexe
  • 13. 6. Verrous stratégie d’inoculation Conditions d’utilisation : • Mode de préparation de la biomasse microbienne + formulation • Mode d’apport, techno-semence • Mesures d’accompagnement (pratiques culturales) : réaliste ? • Fertilité du sol et niveau des intrants (matières fertilisantes, eau)
  • 14. 7. Verrous en aval Outils de suivi de l’inoculant : • Survie au champ • Physiologie et expression génique Outils de suivi des effets de l’inoculation : • Interactions avec les populations indigènes • Réactions physiologiques de la plante