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Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources

Procédés Produits Environnement

Institut National Polytechnique de Lorraine

Ecole National Supérieur d’Agronomie et des Industries Alimentaires

Unité Mixte de Recherche INRA-INPL Agronomie Environnement Nancy Colmar
N° attribué par la bibliothèque

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Thèse

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Docteur de l’INPL

Discipline : Sciences Agronomiques

présentée et soutenue publiquement

par 

Stéphane Bazot

le 2 juin 2005
Contribution à l'étude de l’allocation des photoassimilats récents dans la plante et la rhizosphère chez une graminée pérenne

(Lolium perenne L.)

Jury :
M. Jean-Bernard Cliquet Maître de conférence, Université de Caen Rapporteur

M. Jean-François Soussana Directeur de recherche INRA, Clermont Ferrand Rapporteur

M. Herbert Blum Chercheur, ETH Zurich Examinateur

M. Daniel Epron Professeur, Université Henri Poincaré Examinateur

M. Christophe Nguyen Chargé de recherche INRA, Nancy Examinateur

M. Christophe Robin Chargé de recherche INRA, Nancy Examinateur
Seul je n’aurais pu réaliser le travail présenté dans cette thèse. A toutes les étapes de sa mise en œuvre, de nombreuses personnes y ont contribué. Je tiens donc à les remercier tout particulièrement et très chaleureusement.
Ce travail a été réalisé au sein de l’UMR INRA-INPL Agronomie-Environnement de Nancy. C’est donc au directeur de ce laboratoire, Sylvain Plantureux que vont mes premiers remerciements.
D’autre part, sans directeur de thèse, il n’y aurait pas de thèse! Je remercie donc tout particulièrement Christophe Robin, mon directeur de thèse de m’avoir avant tout fait confiance, de m’avoir confié ce travail de thèse et fait découvrir le métier passionnant qu’est celui de chercheur. Je te remercie, Christophe, pour ton suivi, ta disponibilité, ton aide, et ton implication dans mon travail ; tu étais là avec moi sur le terrain à faire de la Suisse un vrai gruyère avec une machine quelque peu « capricieuse »!!! Merci également de m’avoir permis d’être impliqué dans des collaborations (ETH Zurich) et dans un programme Européen (CONSIDER) mais aussi de m’avoir donné l’opportunité de participer à de nombreux workshops et colloques afin de présenter mon travail.
Je remercie également Christophe Nguyen pour m’avoir initié aux tests Glucose 14C, ainsi que pour ses conseils et son aide pour les analyses statistiques, ainsi que Emile Benizri pour ses explications concernant les étalements bactériens et les tests Biolog. Je tiens également à remercier Chhoy Vong pour ses conseils avisés pour la manipulation des isotopes radioactifs et du compteur à scintillation liquide pas toujours simple.
Un immense merci, à Herbert Blum et Manuel Schneider, chercheurs à l’ETH de Zurich, pour leur patience, leur aide et leurs conseils lors de nos péripéties sur le dispositif FACE Suisse. Merci Herbert pour vos relectures de l’article sur l’expérimentation FACE.
Merci à Juha Mikola, chercheur à l’Université de Jyväskylä en Finlande. Merci de votre participation active à mon travail, sans vous l’expérimentation défoliation ainsi que la rédaction de l’article défoliation auraient été beaucoup moins enrichissantes, merci également de votre accueil lors de notre visite en Finlande.
Toute ma gratitude va également à Claude Bazard, chargé de recherche à l’INRA de Mirecourt. Grâce à vous, la gestion de mes parcelles de ray grass de l’expérimentation défoliation a été beaucoup plus simple. Merci pour votre convivialité et votre aide technique.
Merci à Pascale Maillard, chargée de recherche à l’INRA de Champenoux pour son aide dans la compréhension des calculs concernant les isotopes stables du carbone (13C).
Je tiens également à remercier les membres de mon comité de pilotage pour leurs remarques et leurs conseils. Merci à Jérome Balesdent, directeur de recherche INRA au CEA de Cadarache ainsi qu’à Jean Marc Guehl, directeur de recherche à l’INRA de Champenoux.

J’exprime toute ma gratitude à Jean Bernard Cliquet, maître de conférence à l’Université de Caen et Jean François Soussana, directeur de recherche à l’INRA de Clermont Ferrand pour avoir accepté de juger mon manuscrit en tant que rapporteur. Merci à Daniel Epron, président du jury, professeur à l’Université Henri Poincaré à Nancy d’avoir bien voulu juger ce travail en tant qu’examinateur.
Une part des analyses effectuée pendant ce travail n’aurait pas été possible sans l’aide précieuse de Patrice Marchal, technicien au laboratoire. Un grand merci également à Dominique Thiery pour la fabrication des pots de culture, des containers de marquage et son aide sur le terrain ainsi qu’à Michel Philbert pour les lyophilisations.
Par ailleurs trois étudiants ont participé activement à la réalisation de ma thèse lors de leur stage. Lina Ulff, lors de son stage de fin d’étude, m’a secondé efficacement dans la récolte, l’analyse des échantillons et l’interprétation des résultats de l’expérimentation FACE. Jennifer Tavernier, lors de son stage de DEA a contribué activement à la mise en place de l’expérimentation défoliation et l’analyse des échantillons. Finalement Pierre Louis Bonicoli, lors de son stage de classe préparatoire d’entrée à l’ENSAIA a également participé significativement à l’analyse des échantillons de l’expérimentation défoliation.

Il m’est également impossible d’oublier la patience d’ange de Thamara Olivier, secrétaire du laboratoire, pour la mise en place des remboursements de mes différents déplacements ! Mais aussi merci pour votre grande gentillesse et votre disponibilité lors de la résolution des différents problèmes administratifs. Merci également à Anne Marie Claude et Amina Gautier, techniciennes au laboratoire qui m’ont également facilité le passage des commandes et la gestion des produits.

Merci également aux autres membres du laboratoire Agronomie –Environnement qui ont participé de près ou de loin à mon travail de thèse.
Les activités d’enseignement ont également occupé une part importante de ma thèse. Je remercie infiniment Dominique Morlot, professeur à L’IUT de Yutz-Thionville, mon tuteur de monitorat. Merci de m’avoir fait découvrir les joies de l’enseignement. Votre gentillesse, votre aide, vos conseils aussi bien pédagogiques que scientifiques m’ont été précieux. Je remercie également vivement l’ensemble de l’équipe pédagogique de l’IUT pour leur accueil. Au-delà de mon tuteur, c’est au CIES de Lorraine que je suis reconnaissant. Merci pour les formations et les journées de détente offertes.

J’exprime également toute ma sympathie à Odile et Sophie. Odile ma « co-bureautaire » et amie, et Sophie amie thésarde voisine souvent en visite pour mon plus grand plaisir. Merci à Seb et PE pour les bonnes soirées et les parties de tarots ! Je tiens à vous remercier pour votre amitié et votre bonne humeur pendant ces trois années !

Toutes ma gratitude va également aux anciens et nouveaux thésards et post-doc de la « thésards vallée » !! Merci à Anne-Laure, Benoît, Boris, Fabienne, Fred, Karine, Robert, Romain, Sébastien, Minh, Vincent…
Je dois également beaucoup à mes parents, mes grands-parents pour leur soutien moral et financier !!! lors de mes années d’études (ouf j’en suis enfin venu à bout !!). Merci infiniment à Jeannette et Roger, vous avez également été toujours présents et à l’écoute pendant ces trois années de thèse. Merci également à tous les autres que je ne cite pas ici, ma famille, mes amis…
Enfin, le dernier mot est pour toi Gaëlle, tout au long de cette thèse, tu as participé à mes moments d’enthousiasme mais aussi de doute et d’incertitude. Tu as toujours été là pour m’écouter patiemment, me rassurer, me donner confiance. Merci infiniment…



INTRODUCTION GENERALE 9

A. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 12

I. Cycle du carbone et importance des écosystèmes prairiaux 12

1. La plante : un pourvoyeur de carbone dans la rhizosphère 13

2. Place des graminées pérennes dans le bilan de carbone des sols 14

II. Les transferts de carbone dans le continuum atmosphère plante sol 15

1. La répartition des assimilats carbonés dans la plante 16

1.1. Les relations source-puits 16

1.2. Modification des relations source-puits 17

2. Rhizosphère et rhizodéposition 19

2.1. La rhizosphère 19

2.2. La rhizodéposition 20

2.2.1. Composition : 20

2.2.2. Quantification 21

2.2.3. Localisation  22

2.3. Rôle trophique des rhizodépôts 22

2.3.1. Manifestations de l’effet rhizosphère 23

2.3.2. Conséquences de l’effet rhizosphère 24

Figure 4: Représentation schématique des effets positifs et négatifs directs et indirects des rhizodépôts sur la croissance de la plante (d’après Jones et al., 2003). 25

3. Outils d’étude des transferts de carbone dans le continuum atmosphère-plante-sol 25

3.1. Traçages isotopiques 26

3.1.1. Marquage court et marquage long des photoassimilats 27

3.1.2. Abondance naturelle en 13C 28

3.2. Les variables indicatrices de la rhizodéposition 28

3.2.1. Approche phénotypique d’étude des micro-organismes 29

3.2.2. Approche génétique d’étude des micro-organismes 29

3.3. Couplage des techniques isotopiques et des techniques de biologie moléculaire 30

3.4. Utilisation des micro-organismes bio-senseurs 31

III. Facteurs modulant les transferts de carbone dans le système plante-sol-micro-organismes 33

1. Le dioxyde de carbone 35

1.1. Activité photosynthétique, production de biomasse et CO2 35

1.2. Sorties de carbone de la plante 37

1.2.1. La respiration 37

1.2.2. La rhizodéposition 37

1.3. Les communautés microbiennes 39

2. La défoliation 40

2.1. La défoliation affecte la répartition du carbone dans la plante 40

2.2. La défoliation affecte les entrées de carbone dans le sol 41

2.2.1. Augmentation de la rhizodéposition suite à la défoliation 41

2.2.2. Aucun effet de la défoliation sur la rhizodéposition 42

2.2.3. Diminution de la rhizodéposition 43

3. L’azote 44

3.1. Répartition des assimilats et production de biomasse 44

3.2. Disponibilité en azote et rhizodéposition 44

3.3. Interactions carbone-azote 45

B. OBJECTIFS DE LA THESE 47

C. MATéRIELS ET MéTHODES 49

I. Matériel végétal 49

II. Marquage des parties aériennes des plantes au 14CO2 ou au 13CO2 49

2.1. Séparation hermétique du compartiment souterrain 49

2.2. Déroulement du marquage : les étapes clés 52

2.2.1. Production de 14CO2 et de 13CO2 dans l’atmosphère 52

2.2.2. Maintien de l’activité spécifique dans la chambre 52

2.2.3. Fin du marquage 54

III. Marquage des parties aériennes des plantes au 15NH3 54

IV. Récolte 55

V. Analyses 57

5.1 Analyses du C de la biomasse microbienne : technique d’extraction fumigation 57

5.1.1. Principe 57

5.1.2. Pré-extraction 57

5.1.3. Fumigation des échantillons 58

5.1.4. Extraction des échantillons fumigés et des échantillons non fumigés 58

Figure 12 : Représentation schématique de la pré extraction, fumigation extraction (Vance et al., 1987). 60

5.2. Analyse du carbone total 61

5.2.1. Poudres des échantillons végétaux et de sol 61

5.2.2. Solutions 61

5.3. Analyse des concentrations en glucides totaux dans les tissus végétaux 62

5.4. Analyse du 14C 62

5.4.1. Echantillons végétaux 62

5.4.2. Echantillons de sol 62

5.4.3. Echantillons liquides 63

5.4.4. Expression des résultats 63

5.5. Analyse du carbone 13 et de l’azote 15 64

D. CONTRIBUTION DU CARBONE NOUVELLEMENT ASSIMILé A LA RHIZODéPOSITION 67

I. Matériel et méthodes 69

1.1. Conditions de culture 69

1.1.1. Le sol 69

1.1.2. Les plantes 69

1.2. Dispositif expérimental 69

1.2.1. Dispositifs de culture 69

1.2.2. Culture des plantes 70

1.3. Marquage long des parties aériennes au 14C et au 13C et récolte 71

1.4. Expression des résultats 72

1.5. Analyses statistiques 73

II. Résultats 75

2.1. Production de biomasse 75

2.2. Répartition du carbone dans la plante et dans le sol 75

2.2.1. Répartition du carbone à la fin de chaque marquage : 14C lors du premier marquage et 13C lors du second marquage 75

2.2.2. Répartition du carbone 13 et du carbone 14 à la fin du second marquage  76

2.3. Contribution des deux sources de carbone à la rhizodéposition 77

2.4. Biomasse microbienne 79

III. Discussion 80

3.1. Répartition du carbone dans la plante 80

3.2. Contribution du carbone récemment assimilé à la rhizodéposition 81

IV. Conclusion 85

E. Conséquences de l’éLéVATION de la concentration en CO2 atmosphérique sur la répartition DES PHOTO-ASSIMILATS RéCENTS ET la rhizodéposition CHEZ LOLIUM PéRENNE 87

I. Matériels et méthodes 89

1.1. Dispositif expérimental 89

1.2. Mise en place de l’essai 89

1.3. Marquage des parties aériennes au 14CO2 et au 15NH3 et récolte 91

1.4. Mesure de la minéralisation du carbone total et du carbone 14 dans le sol adhérent 92

1.5. Expression des résultats du marquage à l’azote 15 92

1.6. Analyses statistiques 93

II. Résultats 94

2.1. Production de biomasse végétale 94

2.2. Allocation de carbone 14 et de l’azote 15 au compartiment souterrain 95

2.3. Concentrations en glucides totaux dans les organes végétaux 99

2.4. Quantités de carbone dans la biomasse microbienne 100

2.5. Cinétique de minéralisation du carbone total et des composés organiques 14C (C rhizodéposé et turnover de la biomasse microbienne marquée) dans le sol adhérent 100

III. Discussion 104

3.1. Production de biomasse et répartition des photo-assimilats dans le système plante-sol 104

3.2. Concentration en carbone total du sol et devenir des photoassimilats récents dans la rhizosphère 107

3.3. Répartition de l’azote 15 dans la plante et rhizodéposition azotée 108

IV. Conclusion 109

111

F. INFLUENCE DE LA DÉFOLIATION SUR LA RÉPARTITION DES ASSIMILATS DANS LA PLANTE ET LES TRANSFERTS DE CARBONE VERS LA RHIZOSPHÈRE 112

I. Matériels et méthodes 115

1.1. Dispositif expérimental 115

1.2. Echantillonnages 115

1.3. Analyses sur les plantes et le sol. 116

1.4. Analyses sur le compartiment microbien 116

1.4.1. Evaluation de l’activité microbienne et de la disponibilité en C pour la biomasse microbienne 117

1.4.2. Dénombrement des bactéries cultivables du sol 117

1.4.3. Analyse des aptitudes cataboliques des communautés microbiennes (Biolog) 118

1.5. Analyse de la communauté de nématodes 119

1.6. Analyses statistiques 119

II. Résultats 120

2.1. Production de biomasse végétale 120

2.2. Concentrations en carbone total, azote total des organes végétaux et en glucides totaux dans les racines 121

2.3. Concentration en carbone et en azote du sol 123

2.4. Compartiment microbien 124

III. Discussion 128

3.1. La défoliation modifie la répartition de carbone dans la plante 128

3.2. La disponibilité en carbone et en azote dans la rhizosphère n’est pas modifiée par la défoliation 129

IV. Conclusion 131

G. CONCLUSIONS GéNéRALES ET PERSPECTIVES 132

Références bibliographiques 136

FIGURES  158

TABLEAUX  163

PHOTOGRAPHIES  165

ANNEXES 166

175
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