Contribution des parties aériennes et souterraines des plantes à la matière organique des sols évaluée à partir de la dynamique des marqueurs des cutines et des subérines

In cropland soils, plant residues and microorganisms are the main sources of organic matter. Soil organic matter (SOM) represents an important pool of carbon. Mineralisation of soil organic carbon is an important issue and studies on soil organic matter degradation and/or stabilisation showed contrasted results when changing soil management. However degradation and stabilisation processes turning the fresh plant material into stabilised soil organic matter remain unclear. One major question concerns the contribution of above ground versus below ground plant residues to SOM. To improve knowledge on degradation and stabilization processes in the soil matrix, we studied the fate of makers of cutin and suberin in the INRA experimental field of “les closeaux”. These macromolecules are present respectively in the above ground and the below ground tissues of higher plants and are constituted of specific monomers. The experimental field of les Closeaux consists of a twelve year chronosequence of maize crop replacing the previous wheat crop. The two cropping plants have two different 13C contents: wheat, a C3 plant (13C ≈ -27 ‰) and maize, a C4 plant (13C ≈ -12 ‰). The natural 13C labelling of biopolyester monomers in the different parts of the two plants (leaves, stems and roots) and in soil was measured. The analysis of biopolyester monomers in the different parts of the two plants and the soil allows following their incorporation into the SOM pool. In addition, soil under wheat and after 9 years of maize cropping was analysed in depth.Comparison of depolymerisation methods showed that saponification followed by direct silylation is the most accurate for the analysis of biopolyester monomers in plants and their contribution to soil bound lipids. In plants, diacids and mid chain hydroxy acids are specifics for below and above ground tissues. Monomer inputs from above ground polyesters represented more than 80% of total monomers returned into the soils for the two plants studied. Despite of the high shoot polyester inputs, in soil, concentration in cutin specific monomers is equivalent to root suberized tissues monomers and indicate a selective degradation and stabilisation of polymers in soils. At molecular level single monomer are not degraded in the same way implying that a macromolecule such as cutin or suberin is not heterogeneously degraded by microorganisms. The contrasting behaviours of root suberized tissues and cutins from shoots in soils might be explained by different physical and chemical processes leading to selective degradation and stabilization of these tissues. Incorporation rates of cutin and suberin markers display contrasted behaviour among the two biopolyesters. Cutin monomers deriving from maize plant are poorly incorporated into SOM inferring that cutins bring to the soil is promptly degraded and that monomers released from soils samples arise from old C3 vegetation. Soil suberin monomers incorporation rates underlined the higher contribution of maize roots biomass when compared to wheat root. Stabilisation of suberin marker incorporation after 6 years of maize cropping suggests at least two kinetic pools of degradation and stabilisation. With depth, 9 years of maize cropping influenced cutin and suberin concentrations. The higher maize roots density when compared to wheat roots leads to high incorporation of suberin monomers deriving from maize root in all the soil profile. The lower concentration of cutin markers in depth in the soil under maize when compared to soil under wheat implyied degradation of cutins, althought we supposed they were stabilized in soil depth.Les matières organiques des sols (MOS) représentent un réservoir majeur de stockage de carbone et elles sont étroitement associées aux propriétés physiques et physicochimiques du sol. Cependant, certaines pratiques agricoles comme le labour ont pour effet de minéraliser les MOS, aussi de nouvelles pratiques culturales ont été mises en place, dont le non labour ou le retour au sol des résidus de cultures. Cependant, des résultats très contrastés ont été décrits quant à l’augmentation des MOS par changement de pratiques culturales. De plus, la biomasse racinaire contribue plus aux MOS que les parties aériennes, dans un système où les résidus de cultures sont retournés au sol, alors que la proportion de MO contenue dans les racines est plus faible que celle provenant des parties aériennes.Afin de mieux comprendre les processus de dégradation et/ou de stabilisation de la matière organique dans les sols, nous avons choisi d’étudier deux biopolymères présents dans les parties aériennes et souterraines des plantes : les cutines et les subérines. Ces deux biopolyesters sont composés de monomères spécifiques. Nous avons tout d’abord mené une étude comparative des méthodes de dépolymérisation utilisées pour étudier ces biopolymères et montré que la méthode la plus adaptée était l’hydrolyse basique suivie de silylation. Nous avons ensuite appliqué cette méthode à des sols. Pour suivre la dynamique de ces biopolyesters, nous avons choisi le site expérimental de l’INRA « des Closeaux », qui comporte une chronoséquence blé/maïs, mise en place en 1993. Ces deux plantes ont été choisies en raison de leur teneur distincte en 13C due à la différence de leur voie biosynthétique : le blé est une plante en C3 (13C ≈ -28‰) alors que le maïs est une plante en C4 (13C ≈ -12‰). Les MOS possédant une signature isotopique proche de celle de la végétation, ce dispositif permet de suivre in situ, l’incorporation de la MO provenant du maïs à la MOS. Nous avons comparé la contribution des monomères de cutine et subérine dans des horizons de surface d’un sol initialement sous blé et après 6 et 12 ans de culture de maïs, puis nous nous sommes intéressés au devenir de ces biopolymères en profondeur après 9 ans de culture de maïs. La proportion de cutines et de subérines incorporées dans les sols a été établie afin de déterminer les processus conduisant à la dégradation et/ou stabilisation de la biomasse aérienne vs la biomasse racinaire. Les cutines présentes dans les parties aériennes des plantes ne sont pas ou peu incorporées dans les sols, ce qui indique que les cutines déjà présentes dans les sols sont stabilisées et que les cutines de maïs sont en grande partie dégradées au fur et à mesure de leur incorporation aux sols. Pour les subérines contenues dans les racines, nous avons mesuré un taux d’incorporation aux MOS de 20% à 60% selon le monomère après 6 ans de culture de maïs suivi d’une stabilisation entre 6 et 12 ans de culture de maïs. Pour les subérines, il semble donc y avoir plusieurs compartiments cinétiques : un compartiment stable et un compartiment qui se renouvelle rapidement. De plus, la distribution des marqueurs de cutines et de subérines est très différente dans les plantes et dans les sols, indiquant que les biopolymères ne sont pas dégradés de manière homogène. Enfin, en profondeur, les résultats sur les concentrations et la signature isotopique des marqueurs des racines montrent que les racines de maïs influencent la dynamique des MOS sur tout le profil étudié. En effet, on assiste à une augmentation des monomères spécifiques de subérines en profondeur, due au profil racinaire dense du maïs par rapport à celui du blé. Par contre, la diminution de la contribution des cutines en profondeur indique que le changement de culture de blé à maïs a induit une dégradation de cutines, dont on pouvait penser qu’elles étaient stabilisées