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AVERTISSEMENT

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D.F.D. Biologie Forestière

Thèse

P résentée pour l'obtention du titre de

Docteur de l'Université de Lorraine

en Biologie Végétale et Forestière par

Cendrella LEPLEUX

A LTERATION BACTERIENNE DES MINERAUX DANS LES ECOSYSTEMES

FORESTIERS PAUVRES EN NUTRIMENTS

: ANALYSE DES COMMUNAUTES BACTERIENNES ET IDENTIFICATION DES MECANISMES IMPLIQUES

Soutenance publique le 3 Décembre 2012

Membres du Jury:

Pr. Pierre Leblond

Professeur à l'Université de Lorraine de Nancy Président du jury

Dr. Christophe Mougel

Directeur de recherche au centre INRA de Dijon

Rapporteur

Dr. Alain Sarniguet

Directeur de recherche au centre INRA de Rennes Rapporteur

Dr. Pascal Simonet

Directeur de recherche au CNRS de Lyon Examinateur

Pr. Stéphane Vuilleumier

Professeur à l'Université de Strasbourg

Examinateur

Dr. Marie-Pierre Turpault

Directeur de recherche au centre INRA de Nancy

Examinateur

Dr. Pascale Frey-Klett

Directeur de recherche au centre INRA de Nancy, Directrice de thèse Examinateur

Dr. Stéphane Uroz

Chargé de recherche au centre INRA de Nancy, Co-directeur de thèse Examinateur

Dr. Laura C. Kelly

Chercheur Post-doctoral au centre INRA de Nancy Chercheur invité Unité Mixte de recherche 1136 INRA/UL Interactions Arbres - Microorganismes Centre INRA de Nancy - Route d'Amance - 54280 Champenoux

A mon grand-père

Travaillez, prenez de la peine ;

C'est le fond qui manque le moins.

Un riche laboureur, sentant sa mort prochaine,

Fit venir ses enfants, leur parla sans témoins.

Gardez-vous, leur dit-il, de vendre l'héritage

Que nous ont laissé nos parents :

Un trésor est caché dedans.

Je ne sais pas l'endroit ; mais un peu de courage

Vous le fera trouver : vous en viendrez à bout. Remuez votre champ dès qu'on aura fait l'oût : Creusez, fouillez, bêchez ; ne laissez nulle place

Où la main ne passe et repasse.

Le père mort, les fils vous retournent le champ, Deçà, delà, partout ; si bien qu'au bout de l'an

Il en rapporta d'avantage.

D'argent, point de caché. Mais le père fut sage

De leur montrer, avant sa mort,

Que le travail est un trésor.

Le Laboureur et ses enfants, Livre Cinquième,

Fables,

La Fontaine.

Remerciements

Tout d'abord, je tiens à remercier l'INRA et la Région Lorraine dont le soutien financier m'a permis de faire ma thèse.

Merci à Christophe Mougel, Alain Sarniguet, Pierre Leblond, Pascal Simonet, Stéphane Vuilleumier et Laura Kelly d'avoir

accepté de faire parti de mon jury de thèse.

A mes trois encadrants, de m'avoir donné la chance de réaliser cette thèse. Pascale, merci pour tes conseils, ton

soutien, ta bonne humeur et ton côté humain. Marie-Pierre, je n'avais absolument aucune connaissance dans l'art subtil de

la minéralogie et de la géologie et je te remercie de la patience dont tu as fait preuve pour m'apprendre les quelques

bases que j'ai pu acquérir pendant cette thèse. Ce n'est pas de sitôt que j'oublierai la différence entre un micas et un

feldspath ! Je te remercie également pour ta disponibilité, ta bonne humeur et surtout ton côté optimiste et tes

encouragements !! Stéphane, que dire ... ? Merci de m'avoir transmis une partie de ton savoir et ta rigueur scientifique.

Merci pour ta disponibilité même lorsque je débarquais dans ton bureau (" Dis chef, j'ai une question ... ? ») et pour tes

commentaires toujours constructifs sur mon travail et qui m'ont beaucoup aidé notamment pour la rédaction du mémoire.

Je finirai donc sur un " Merci Chef ! ».

Un merci tout particulier à Nicole avec qui l'administration, les notes de frais et les ordres de mission deviennent

faciles !

Aude merci pour tes conseils et tous tes encouragements et aussi de m'avoir fait découvrir cet endroit merveilleux

qu'est la villa pompei !

Béacriiiiche, merci pour ta bonne humeur, tes blagues que tu n'arrives jamais à finir, tes conseils et ton franc-parler

reconnu de tous !

Sanjay, thank you very very much for all your help ! And now I never see a chicken bucket in the same way ^^

Aurore et Emeline merci pour votre soutien (entre doctorantes ^^) et nos discussions existentielles sur le " pourquoi

du comment » ...

Manu, merci pour tous les matchs de boxe auxquels j'ai pu assister et surtout merci de ne pas m'avoir mis un punch

accidentel ... ^^

Alice, ah là là là là .... merci pour toutes tes remarques pas toujours intelligentes mais qui font tellement rire et aussi

pour toutes tes fautes d'orthographe et de grammaire orales et écrites ... Juste une chose, le jour où tu décides de faire la

dictée de B. Pivot préviens moi, j'achèterai des pop-corns....

Mr Hervé, p'tit chamallow, merci pour ta bonne humeur, tes vannes et ta répartie plus ou moins douteuse(s), tes

conseils pas toujours bons à suivre et pour tous ces bons moments passés dans le bureau ! Je te souhaite de pouvoir un

jour réaliser tout tes rêves et devenir " Le roi du pétrole » !! Enfin, j'espère que le " Copenhaguen pen » t'apporteras (ou

t'as apporté !?) entière satisfaction ...

Merci aussi à tous les autres membres du labo : Emilie, Benjamin, Annegret, Chouchou !!!!, Cyrille, Christine, Nicole,

Agnès, Seb, Laura, Marie-Claude, Sapna, Thibaut, Pépère, Juliette, François, Francis, Pas triste, Jean, Aurélie, Marc, Claude,

Valérie, Claire, Christine et Yann.

Merci aussi à ceux qui sont passés par le IAM mais qui ont su m'apporter un petit quelque chose de scientifique ou

non : Christophe, Christelle, Mauricio, Pete, Steph H. Sara, Sarah, Elodie, Mathilde, Junior, Adeeeeeeline et bien sûr Mimi

Cracra qui se reconnaîtra !

Je souhaite également remercier Cécile pour toutes nos soirées filles, nos délires et d'avoir toujours été là quand j'en

avais besoin ! Je suis vraiment contente de t'avoir rencontrée !!!

Un grand merci à Virginie et Coralie. Malgré le fait que l'on ne se contacte pas souvent je vous remercie toutes les

deux d'avoir su me guider et de m'avoir donné confiance en moi !!!

Merci à Mme Ferry pour tout son soutien, ses conseils, ses encouragements et beaucoup d'autres choses...

Merci à tous ceux du 77 qui m'ont aidée à garder un semblant de vie sociale pendant cette thèse et ce, même si je

n'étais pas toujours très disponible : Caro & Anthony, les Jumeaux, Choupinet, ma petite Florette (et son Arthur ^^), mon

Xaviooouuuuu et bien sûr ma cht'ite Fulgees !!

Merci à ma p'tite Cha ... Tu as toujours été prête à lire mes très looooongs mails quand ça n'allait pas fort et tu as

toujours su me redonner courage et sourire !! Merci pour ces conversations par mails interposés sur nos problèmes de

thèse ... Merci aussi d'être venue quelques fois me rendre visite en Lorraine où il n'y a rien à faire ... ! Allez l'année

prochaine c'est ton tour !!! Bon courage !!

Merci, Merci, Merci pour tout !! D'avoir toujours été là quand j'en avais besoin, pour tous les fous rires et les délires que

j'ai pu avoir avec toi ! Heureusement que tu venais de temps en temps pour me rappeler la vie de Ch'Nord !! Bref merci

Merci à la famillle Cichocki-Delfosse et tout particulièrement à Martine et Henri, pour tous ces week-end eud'éteiiinnnte

d'in Ch'Nord qui m'ont permis de déconnecter de la thèse et pour leur soutien. A ma mère qui m'a toujours dit de bien travailler à l'école...

Merci à mon ch'ti frère pour sa joie de vivre et sa capacité à faire le clown à tout moment !

Merci à mes grands-parents pour tout leur soutien et sans qui je n'aurai jamais pu faire d'études.

Merci à mon père pour tout le soutien qu'il m'apporté au cours de ces trois années, pour avoir toujours cru en mes

capacités et pour tous ses conseils ... Merci papa !

Enfin, merci à toi Nicolas qui a quitté ton bien-aimé Ch'Nord pour me suivre en Lorraine ... merci de n'avoir jamais

douté de moi, même lorsque je n'y croyais plus, merci de ton soutien, de ton amour, de tes encouragements ... Bref, merci

tout simplement d'être là...

SOMMAIRE

TA

B LE DES MATIERES

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION 1!

1. CONTEXTE 2!

2 . L'ALTERATION MINERALE 3! 2 .1. Mécanismes abiotiques de l'altération 6!

2.1.1 Les mécanismes physiques 6!

2.1.2 Les mécanismes chimiques 7!

2.2. Acteurs biologiques de l'altération des minéraux 9!

2.2.1 Les effets indirects 9!

2.2.2 Altération physique 9!

2.2.3 Altération chimique 10!

2.3. L'altération bactérienne en forêt 15!

2.3.1 Effet sélectif de la rhizosphère et de la mycorhizosphère sur les

communautés bactériennes du sol 15!

2.3.2 Influence de l'essence d'arbre sur la capacité d'altération des communautés

bactériennes du sol 16!

2.3.3 Influence de la saison sur la capacité d'altération des communautés

bactériennes du sol 17!

2.3.4 L'influence potentielle de la disponibilité en nutriments 17!

3. ARTICLE: BACTERIAL WEATHERING AND ITS CONTRIBUTION TO NUTRIENT CYCLING IN TEMPERATE

FOREST ECOS

YSTEMS

19!

4. LES MINERAUX : UNE NICHE ECOLOGIQUE POTENTIELLE POUR LES COMMUNAUTES BACTERIENNES 32!

4 .1. Définition 32!

4.2. Les minéraux comme habitat pour les communautés bactériennes 32!

4.3. Les facteurs influençant la colonisation des minéraux. 34!

4.3.1 Les facteurs environnementaux 34!

4.3.2 Les caractéristiques physiques et cristallochimiques des minéraux 36!

4.4. Les communautés bactériennes associées la surface des minéraux et leur capacité à

altérer les minéraux 38!

4.4.1 Données taxonomiques et fonctionnelles 38!

5.

OBJECTIFS DE LA THESE 40!

CHAPITRE 2 : CARACTÉRISATION TAXONOMIQUE ET FONCTIONNELLE DES COMMUNAUTÉS BACTÉRIENNES ASSOCIÉES À LA SURFACE DES MINÉRAUX DU SOL D'UN ÉCOSYSTÈME

FORESTIER PAUVRE EN NUTRIMENTS 41!

1. INTRODUCTION 42!

2. OBJECTIFS 43!

3.

METHODES EMPLOYEES 43!

4. SYNTHESE DES RESULTATS 44!

5. ARTICLE: ABUNDANCE OF BETAPROTEOBACTERIA ON MINERAL SURFACES CORRELATES WITH MINERAL

WEATHERING IN FORE

ST SOILS. 46!

6. DISCUSSION GENERALE 70!

C

ONCLUSION

73!
CHAPITRE 3 : IMPACT DE LA BIODISPONIBILITÉ DES NUTRIMENTS INORGANIQUES SUR LA STRUCTURE TAXONOMIQUE ET FONCTIONNELLE DES BACTÉRIES DU SOL ET DE LA RHIZOSPHÈRE : MANIPULATION D'UNE PLANTATION PAR AMENDEMENT CALCO-MAGNÉSIEN 74!

1. INTRODUCTION 75!

2. OBJECTIFS 77!

3.

METHODES EMPLOYEES 77!

4.

SYNTHESE DES RESULTATS 79!

5. ARTICLE : A SHORT-TERM MINERAL AMENDMENT IMPACTS THE MINERAL WEATHERING BACTERIAL

COMMUNITIES IN A

N ACIDIC FOREST SOIL. 81!

6.

RESULTATS SUPPLEMENTAIRES 98!

6.1. Résultats 98!

6.2. Interprétation 98!

7. CONCLUSION 99!

CHAPITRE 4 : CONCLUSIONS - PERSPECTIVES 101!

1. SYNTHESE DES RESULTATS 102!

2. LES BACTÉRIES APPARTENANT AUX GENRES BURKHOLDERIA ET COLLIMONAS : DES BIOMARQUEURS

DE

L'ALTÉRATION 102!

3. EFFET DE L'ESSENCE FORESTIÈRE SUR L'ALTÉRATION DES MINÉRAUX 105!

4 IMPACT DE LA DISPONIBILITÉ EN NUTRIMENTS INORGANIQUES 106! 5 . LES MINÉRAUX : UNE ZONE D'ÉCHANGE ET UN HABITAT POUR LES MICROORGANISMES 107! 6 RÉFLEXION SUR L'AMENDEMENT DES MODÈLES PRÉDICTIFS DES FLUX DE NUTRIMENTS : 108! 7 . SOLS FORESTIERS : RÉSERVOIR DE DIVERSITÉ 110!

8. PERSPECTIVES 111!

8.1. A court et moyen terme 111!

8.2. A long terme 112!

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 113

ANNEXES 135!

TA

B LE DES FIGURES

CHAPITRE 1 : INTRODUCTION

F igure 1.1 : Schéma du cycle géochimique d'un écosystème forestier Face p 2 Figure 1.2 : Définition du taux de saturation d'un sol Face p 12

Figure 1.3 :

Colonisation de surfaces minérales soumises aux conditions environnementales Face p 35

Figure 1.4 : Lichens colonisant les murs de l'Eglise de Doue (XIIIe s.) en Seine-et-Marne (France) Face p 35

Figure 1.5 : Altération de surfaces minérales visibles à l'oeil nu Face p 36 C HAPITRE 2 : CARACTERISATION TAXONOMIQUE ET FONCTIONNELLE DES COMMUNAUTES BACTERIENNES

ASSOCIEES A LA

SURF

ACE DES MINERAUX D

'UN SOL D'UN ECOSYSTEME FORESTIER PAUVRE EN NUTRIMENTS B ox 1 : Le pyroséquençage 454 Face p 44 Figure A : Principe de la technique de pyroséquençage

Figure B

: Principe de la technologie 454 Box 2 : Profil métabolique des souches de la minéralosphère Face p 72

Figure C

: Comparaison des profils métaboliques des communautés bactériennes isolées de la minéralosphère ou de la mycorhizosphère

Figure D

: Comparaison détaillée du profil métabolique des souches isolées de la minéralosphère et de la mycorhizosphère C HAPITRE 3 : IMPACT DE LA DISPONIBILITE DES NUTRIMENTS INORGANIQUES SUR LA STRUCTURE T

AXONOMIQUE ET

FONCTIONNELLE DES BA

CTERIES DU SOL ET DE LA RHIZOSPHERE

: MANIPULATION D'UN PLANTATION PAR AMENDEMENT

CALCO-MAGNESIEN

F igure 3.1 : Utilisation des carottes de sol Face p 78

Figure 3.2 : Activités enzymatiques Face p 99

C

HAPITRE 5 : CONCLUSION - PERSPECTIVES

F igure 5.1 : Impact de la disponibilité en nutriments sur la structuration fonctionnelle des communautés bactériennes du sol Face p 106 Figure 5.2 : Corrélation entre le taux global de dissolution de minéraux et abondance de

β-proteobacteria à leur surface Face p 107

Figure 5.3 :

Schéma récapitulatif des niches connues pour leur implication dans l'altération minéralequotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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