Objectifs de la thèse

Dans le contexte actuel de développement d'une agriculture agroécologique, le semis de

céréales enrobées d'une souche élite de PGPR du genre Azospirillum est une option travaillée

par de nombreux industriels qui proposent des solutions commerciales. L'objectif affiché est de

conserver les rendements actuels en diminuant l'usage des engrais minéraux. De nombreux

essais agronomiques à travers le monde ont en effet suggéré une augmentation potentielle par

cette technologie d'ingénierie agroécologique de 15 et 27% en grains et en fourrage (Veresoglou

et Menexes 2010) en l'absence de tout ajout de fertilisation azotée. Mais la réponse du végétal

à Azospirillum semble variable selon les années. Une étude comparative menée entre 2002 et

2006 sur 297 sites de culture de blé inoculés avec A. brasilense a notamment montré cette

variabilité dans la biomasse des parties aériennes mais aussi dans l’augmentation de rendement

en grains (Díaz-Zorita et Fernández-Canigia 2009). Même si les essais menés au Brésil et au

Mexique ont montré des augmentations significatives du rendement, seulement 60% des essais

sur des sites en Uruguay, Inde et en Egypte atteste de cette augmentation de rendement (Okon

et Labandera-Gonzalez 1994). De plus, les études menées en France sur 6 ans et 12 sites

reportent seulement 5 cas d’augmentation du rendement des cultures. L’effet de l’inoculation

avec Azospirillum sur le rendement en agriculture, et notamment dans nos climats, semble donc

imprévisible selon les années ou les sites. Afin de réduire la variabilité des augmentations de

rendement des céréales après inoculation par Azospirillum, une meilleure compréhension des

mécanismes de fonctionnement de ce phénomène est nécessaire.

Lors de ce travail, nous avons fait l'hypothèse que l'impact d'A. lipoferum CRT1 sur son hôte

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récents en métabolomique sur l'analyse du métabolisme des plantes sont suffisants pour en

caractériser certains. Ce domaine a été peu exploré et il est attendu que les analyses dévoilent

des substances végétales d'importance dans l'interaction et permettent d'évaluer l'impact des

deux principaux concepts actuels sur le fonctionnement de l'interaction entre Azospirillum et

son hôte. Ces concepts sont 1/ par sa faculté à minéraliser l'azote atmosphérique, solubiliser le

phosphore des roches et transporter le fer grâce à ses sidérophores, Azospirillum améliore la

nutrition de la plante 2/ par sa faculté à synthétiser des hormones végétales (notamment l'auxine

IAA), ou à en détruire les précurseurs biosynthétiques (pour l'éthylène), Azospirillum modifie

l'architecture racinaire pour permettre à la plante d'explorer un plus grand volume de sol, et

donc de mieux se nourrir. Les analyses métabolomiques seront conduites sur des plantes

cultivées en champ mais aussi en laboratoire où les conditions ne sont peut-être pas naturelles

mais sont contrôlées et où un plus grand nombre d'essais peuvent être conduits. Une des

originalités de ce travail réside dans l'usage, comme contrôle négatif, d'un cultivar de maïs ne

répondant pas à l'agent microbien. Ceci permet de distinguer les variations métaboliques liées

au développement d'une relation symbiotique de celles liées à la croissance d'un

microorganisme de manière saprophyte sur une plante. Une deuxième originalité du travail a

été de réaliser une analyse métabolomique de la sève ascendante comme vecteur de

communication chimique entre racines et feuilles lors de sa croissance et de la perception de

son environnement, dont l'agent bactérien ajouté.

Le travail réalisé s'articule autour de quatre questions qui seront la base des quatre chapitres de

résultats :

x Quels signaux chimiques sont modifiés dans la sève ascendante pour coordonner les

effets du partenaire bactérien sur les racines et les feuilles ? Une analyse du métabolome

de la sève ascendante a été réalisée par GC-MS dans des conditions de culture contrôlées

sur un cultivar de maïs répondant positivement à l’inoculation (Seiddi) et un ne montrant

aucune réponse en contact avec l’inoculum bactérien (FuturiXX). Les expériences ont

été réalisées sur de jeunes plantules de 12 jours cultivées dans des conditions contrôlées.

Cette étude était très exploratoire car le contenu chimique de la sève ascendante des

végétaux est peu connu.

x Quels métabolites et gènes végétaux sont affectés par la présence de la bactérie PGPR ?

Des analyses du métabolome (GC-MS) et du transcriptome (RNA-Seq) des racines et

feuilles ont été réalisées sur les deux mêmes cultivars que nommés ci-dessus et dans les

mêmes conditions de culture.

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x Quelles modifications précoces du fonctionnement du végétal par les PGPR conduisent

à une modification du rendement final en grain ? Cette étude a été conduite deux années

consécutives sur quatre champs de l’Isère différenciés par les paramètres

physico-chimiques de leur sol ou par leurs pratiques agricoles. La capacité des semences à

générer un pied adulte a été mesurée en parallèle de différents paramètres de jeunes

plantules de 6 feuilles (métabolomes de feuilles et racines, morphologies des racines,

tiges, et feuilles, et potentiel photosynthétique, taux de levée des semences). Des

corrélations ont ensuite été réalisées pour associer les modifications par la PGPR de ces

paramètres précoces à celle du rendement final en grains.

x Quel est l’impact de la présence de la PGPR sur la germination du grain ? L’étude du

point ci-dessus a en effet révélé que la souche de PGPR utilisée dans cette étude impacte

positivement le rendement en sécurisant la germination. Or l’impact des bactéries PGPR

sur la germination des plantes a été très peu étudié. Des conditions contrôlées ont été

utilisées pour réaliser une analyse temporelle fine du processus germinatif. Le

métabolome des grains a ensuite été suivi par GC-MS. Des cultivars répondant

(FriedriXX) et ne répondant pas (FuturiXX) à la PGPR en terme d’accélération de

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CHAPITRE 2 : Etude des modifications du