Stratégie végétale d’inhibition biologique de la dénitrification (BDI) : rôle dans l’amélioration de la croissance et de la nutrition des plantes

To meet the needs of human populations, agriculture is increasingly intensive, using a very large number of nitrogen fertilizers to increase yields. These fertilizers are used because nitrogen is one of the most important and limiting factors for plant growth. Nitrogen in the form of nitrate is subject to pollution problems that can affect the environment and human health. The challenges for tomorrow's agriculture are therefore to face an ever-increasing population, while limiting the impact on our environment. This is why research and agriculture are increasingly questioning the use of other products such as biostimulants or inhibitors, in order to limit inputs while maintaining a viable productivity rate. One solution would be to act on soil microorganisms linked to the nitrogen cycle in order to limit nitrogen losses from agrosystems through greenhouse gas (N2O) emissions, leaching and/or volatilization. Indeed, in soils, nitrate is also used by so-called denitrifying bacteria, which reduce it to N2O (greenhouse gases) and N2, representing a loss of nitrogen for crops and an increase in air pollution. As a result, plants compete directly with these bacteria for the assimilation of nitrate. Recently, the supervising team of this thesis has highlighted a strategy developed by some plants consisting of the production of secondary metabolites: procyanidins, which inhibit the denitrification of soil microbial communities. Procyanidins have the ability to inhibit the first step of denitrification in denitrifying bacteria, transforming nitrate into nitrite and thus preventing the use of nitrate, without however exerting an antibacterial effect. This strategy therefore preserves the nitrate in the soil, which can then be used by plants for their nutrition and growth. The main objective of this thesis was to evaluate the effect of the application of exogenous procyanidins at several field concentrations on a plant model of economic interest, lettuce, as well as on different soil types. These effects have also been tested on another model of economic interest that consumes nitrogen, celery. During these experiments, measurements were made on (i) microbial denitrification activity, (ii) plant traits related to growth and (iii) the abundance of denitrifying bacterial communities. Our results show an induction of a BDI in the field, a conservation of nitrate inducing in turn an improvement in plant growth and a counter-selection by the plant of denitrifiers. The other point addressed, which was rather fundamental but less successful due to a lack of time, was to highlight, via the use of Arabidopsis thaliana mutants affected in the production of procyanidins or overproducing procyanidins, a return to the plant of nitrogen diverted following the BDIPour répondre aux besoins des populations humaines, l'agriculture est de plus en plus intensive, utilisant un très grand nombre d'engrais azotés pour augmenter les rendements. Ces engrais sont utilisés parce que l'azote est l'un des facteurs les plus important et limitant pour la croissance des plantes. L’azote sous forme de nitrate est soumis à des problématiques de pollutions pouvant affecter l’environnement ainsi que la santé humaine. Les défis de l'agriculture de demain sont donc de faire face à une population toujours plus nombreuse, tout en limitant l'impact sur notre environnement. C’est pour cela que la recherche et l’agriculture se questionnent de plus en plus sur l’utilisation d’autres produits comme les biostimulants ou des inhibiteurs, afin de limiter les intrants tout en conservant un taux de productivité viable. Une solution consisterait à agir sur les microorganismes du sol liés au cycle de l’azote afin de limiter les pertes des agrosystèmes en azote via le dégagement de gaz à effet de serre (N2O), de lessivage ou/et de volatilisation. En effet, dans les sols, le nitrate est également utilisé par les bactéries dites dénitrifiantes qui le réduisent en N2O (gaz à effet de serre) et N2, représentant alors une perte d’azote pour les cultures et une augmentation de la pollution atmosphérique. Par conséquent, les plantes sont en compétition directe avec ces bactéries pour l'assimilation du nitrate. Récemment, l’équipe encadrante de cette thèse a mis en évidence une stratégie développée par certaines plantes consistant en la production de métabolites secondaires : les procyanidines, qui inhibent la dénitrification des communautés microbiennes du sol. Les procyanidines ont la capacité d’inhiber, chez les bactéries dénitrifiantes, la première étape de la dénitrification transformant le nitrate en nitrite et ainsi d’empêcher l’utilisation du nitrate, sans toutefois exercer un effet antibactérien. Cette stratégie permet de conserver par conséquent le nitrate dans le sol, celui-ci pouvant alors être utilisé par les plantes pour leur nutrition et leur croissance. L’objectif principal de cette thèse a été d’évaluer l’effet de l’application de procyanidines exogènes à plusieurs concentrations en champs sur un modèle de plante d’intérêt économique, la laitue, ainsi que sur différents types de sols. Ces effets ont également été testés sur un autre modèle d’intérêt économique consommatrice d’azote, le céleri. Au cours de ces expérimentations, des mesures ont été effectuées sur (i) l’activité microbienne de dénitrification, (ii) les traits végétaux en lien avec la croissance et (iii) l’abondance des communautés bactériennes dénitrifiantes. Nos résultats montrent une induction d'un BDI en champs, une conservation du nitrate induisant à son tour une amélioration de la croissance des végétaux et une contre sélection par la plante des dénitrifiants. L’autre point abordé, plutôt fondamental mais qui a moins abouti faute de temps, consistait à mettre en évidence via l’utilisation de mutants d’Arabidopsis thaliana affectés dans la production des procyanidines ou surproduisant les procyanidines, un retour vers la plante de l’azote détourné suite au BD