Amibes dans la rhizosphère et leurs interactions avec les mycorhizes à arbuscules : effets sur la répartition des assimilats et sur la disponibilité en azote pour les plantes, Amoebae in the rhizosphere and their interactions with arbuscular mycorrhizal fungi : effects on assimilate partitioning and nitrogen availability for plants
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Thèse soutenue le 14 novembre 2008: Université de Darmstadt, INPL
Les interactions entre les végétaux et les organismes telluriques sont déterminantes pour la décomposition des matières organiques et la nutrition minérale des plantes. L’objectif général de la thèse était de comprendre comment les interactions multi-trophiques dans la rhizosphere agissent sur la disponibilité en azote minéral et l’allocation en carbone dans la plante. Nous avons mis au point des dispositifs de culture de plante, permettant de contrôler l’environnement biotique des racines (inoculation par des espèces symbiotiques modèles : un protozoaire bactériophage et/ou une espèce mycorhizienne à arbuscules). Nous avons utilisé l’azote 15N et le carbone 13C pour tracer le cheminement de l’azote du sol vers la plante et le carbone assimilé par photosynthèse, de la plante vers le sol et les microorganismes du sol. L’allocation de C vers les racines et la rhizosphère est dépendante de la qualité de la litière foliaire enfouie. La structure de la communauté microbienne déterminée par l’analyse des profils d’acides gras (PLFA) est modifiée par la présence de protozoaires pour la litière à C/N élevé. Les mycorhizes à arbuscules et les protozoaires présentent une complémentarité pour l’acquisition du C et de N par la plante. Les protozoaires remobilisent l’azote de la biomasse microbienne par leur activité de prédation. Les hyphes fongiques transportent du C récent issu de la plante vers des sites riches en matière organique non accessibles aux racines. Ainsi, l’activité de la communauté microbienne est stimulée et la disponibilité en N augmentée lorsque des protozoaires sont présents. Les perspectives de ce travail sont de déterminer si (i) les interactions étudiées dans ce dispositif modèle peuvent être généralisées à d’autres interactions impliquant d’autres espèces de champignons mycorhiziens et de protozoaires (ii) la phénologie de la plante et la composition des communautés végétales influence la nature et l’intensité des réponses obtenues
-Rhizosphère
-Azote
-Carbone
-Isotope stable
-Plantago lanceolata
-Holcus lanatus
-Boucle microbienne
-Interactions multitrophiques
-Protozoaires
-Acanthamoeba castellanii
-Champignon mycorhizien à arbuscules
-Glomus intraradices
Plants interact with multiple root symbionts for fostering uptake of growth-limiting nutrients. In turn, plants allocate a variety of organic resources in form of energy-rich rhizodeposits into the rhizosphere, stimulating activity, growth and modifying diversity of microorganisms. The aim of my study was to understand how multitrophic rhizosphere interactions feed back to plant N nutrition, assimilate partitioning and growth. Multitrophic interactions were assessed in a single-plant microcosm approach, with arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus intraradices) and bacterial feeding protozoa (Acanthamoeba castellanii) as model root symbionts. Stable isotopes enabled tracing C (13C) and N (15N) allocation in the plant and into the rhizosphere. Plant species identity is a major factor affecting plant-protozoa interactions in terms of N uptake and roots and shoot morphology. Plants adjusted C allocation to roots and into the rhizosphere depending on litter quality and the presence of bacterial grazers for increasing plant growth. The effect of protozoa on the structure of microbial community supplied with both, plant C and litter N, varied with litter quality added to soil. AM-fungi and protozoa interact to complement each other for plant benefit in C and N acquisition. Protozoa re-mobilized N from fast growing rhizobacteria and by enhancing microbial activity. Hyphae of AM fungi acted as pipe system, translocating plant derived C and protozoan remobilized N from source to sink regions. Major perspectives of this work will be to investigate whether (i) multitrophic interactions in our model system can be generalized to other protozoa-mycorrhiza-plant interactions (ii) these interactions are depending on plant phenology and plant community composition
-Rhizosphere
-Holcus lanatus
-Zea mays
-Carbon
-Nitrogen
-Stable isotope
-13C
-15N
-Microbial loop
-Multitrophic interactions
-Protozoa
-Acanthamoeba castellanii
-Arbuscular mycorrhizal fungi
-Glomus intraradices
-Microbial community
-Plantago lanceolata
-Litter quality
-PFLA
Source: http://www.theses.fr/2008INPL080N/document
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d’un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l’ensemble de la communauté
universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l’auteur au même titre que sa
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D’autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite entraîne une
poursuite pénale.
Contact SCD INPL : scdinpl@inpl-nancy.fr
LIENS
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http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm
Academic Dissertation
to be presented in fulfilment of the academic grade requirements of
Docteur en Sciences Agronomiques at the
Institut National Polytechnique de Lorraine
and
Doctor rerum naturalis at the
Technische Universität Darmstadt
Amoebae in the rhizosphere and their
interactions with arbuscular mycorrhizal
fungi: effects on assimilate partitioning and
nitrogen availability for plants
presented by
Dipl. Biol. Robert Koller
from Lippstadt
Reviewers Bryan Griffiths Professor, Teagasc Institute, Wexford
Christophe Salon Directeur de Recherche INRA, Dijon
Examiners Angelika Schwabe-Kratochwil Professor, TU-Darmstadt
Christophe Mougel Chargé de Recherche INRA, Dijon
Michael Bonkowski Professor, Universität zu Köln
Stefan Scheu Professor, TU-Darmstadt
Christophe Robin Chargé de Recherche INRA, Nancy
Date of public thesis defence 14. November 2008
Nancy Université Technical University Darmstadt
Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie Faculty of Biology
des Ressources Procédés Produits Institute for Zoology
Environnement
Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie
et des Industries Alimentaires
Unité Mixte de Recherche INRA-INPL
Agronomie et Environnement Nancy
Colmar
0Table of contents
Table of contents
TABLE OF CONTENTS........................................................................................................................... 2
ABSTRACT................................................................................................................................................ 4
RÉSUMÉ...................... 5
ZUSAMMENFASSUNG 6
PUBLICATION LIST 7
PAPER PUBLISHED..... 7
PAPERS TO BE SUBMITTED........................................................................................................................ 7
ORAL COMMUNICATIONS ......................................................................................................................... 7
POSTERS.................... 8
CHAPTER I. INTRODUCTION.............................................................................................................. 9
I.1. REGULATION OF CARBON PARTITIONING IN THE PLANT AND RHIZODEPOSITION............................... 11
I.2. RHIZODEPOSITS: SOURCE OF ENERGY AND INFORMATION FOR MICROORGANISMS ........................... 12
I.3. PHOTOSYNTHATES ALLOCATION TOWARDS ROOT INFECTING AND FREE LIVING SYMBIONTS: AM
FUNGI AND PROTOZOA............................................................................................................................ 14
I.4. PROTOZOA - ARBUSCULAR MYCORRHIZAL FUNGI INTERACTIONS..................................................... 16
I.5. OBJECTIVES ..................................................................................................................................... 17
CHAPTER II. THE IMPACT OF PROTOZOA ON PLANT NITROGEN UPTAKE AND
MORPHOLOGY VARIES WITH PLANT SPECIES ......................................................................... 24
II.1. INTRODUCTION 25
II.2. MATERIALS AND METHODS............................................................................................................ 26
II.2.1. Plants, microcosms and incubation procedure ...................................................................... 26
II.2.2. Preparation of microcosms and soil ...................................................................................... 27
II.2.3. Inoculation with bacteria and protozoa ................................................................................. 28
II.2.4. Plant transfer and cultivation ................................................................................................ 28
II.2.5. Harvesting and analytical procedures ................................................................................... 29
II.2.6. Statistical analysis.................................................................................................................. 29
II.3. RESULTS.......... 30
II.3.1. Plant growth as affected by Acanthamoeba castellanii ......................................................... 30
II.4. DISCUSSION .................................................................................................................................... 33
II.4.1. Conclusions............................................................................................................................ 35
ACKNOWLEDEGMENTS........................................................................................................................... 36
REFERENCES........... 37
CHAPTER III. EFFECTS OF PROTOZOA ON PLANT NUTRITION AND CARBON
ALLOCATION DEPENDS ON THE QUALITY OF LITTER RESOURCES IN SOIL ................. 42
III.1. INTRODUCTION.............................................................................................................................. 43
III.2. MATERIAL AND METHODS ............................................................................................................ 45
III.2.1. Microcosms 45
III.2.2. Plants and incubation conditions.......................................................................................... 46
15III.2.3. Preparation of N labelled plant litter................................................................................. 47
13III.2.4. CO pulse labelling of plants.............................................................................................. 47 2
III.2.5. Plant and soil analyses ......................................................................................................... 48
13 12 14 15III.2.6. Analysis of the C/ C and N/ N ratios of soil and plant samples.................................... 48
III.2.7. PLFA patterns and lipid stable isotope probing................................................................... 49
III.2.8. Counting of amoebae 50
III.2.9. Quantification of microbial N............................................................................................... 50
III.2.10. Statistical analyses.............................................................................................................. 51
III.3. RESULTS........................................................................................................................................ 52
III.3.1. Plant biomass, total C and N................................................................................................ 52
15 13III.3.2. Plant and microbial N and C enrichment........................................................................ 54
13III.3.3. C enrichment of plant organs ............................................................................................. 54
13III.3.4. C enrichment of belowground respiration.......................................................................... 55
III.3.5. Phospholipid fatty acids........................................................................................................ 56
2
0Table of contents
13III.3.6. δ C signatures of PLFAs ..................................................................................................... 58
III.4. DISCUSSION................................................................................................................................... 59
III.4.1. Conclusions .......................................................................................................................... 61
ACKNOWLEDGEMENTS........................................................................................................................... 62
REFERENCES........... 63
CHAPTER IV. PROTOZOA (ACANTHAMOEBA CASTELLANII) AND ARBUSCULAR
MYCORRHIZAL FUNGI (GLOMUS INTRARADICES) MEDIATE THE PARTITIONING OF
CARBON AND THE AVAILABILITY OF NITROGEN FOR PLANTAGO LANCEOLATA...... 67
IV.1. INTRODUCTION.............................................................................................................................. 68
IV.2. MATERIAL AND METHODS ............................................................................................................ 69
IV.2.1. Microcosms, soil and microorganisms ................................................................................. 69
IV.2.2. Plant preparation and growth conditions.........................................................
