L'apport des techniques de la biologie moléculaire à la connaissance de la biodiversité microbienne dans les sols et de ses fonctions.

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Hélène Denise Marceau
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1 L'apport des techniques de la biologie moléculaire à la connaissance de la biodiversité microbienne dans les sols et de ses fonctions. L. RANJARD UMR Agroécologie-Plateforme GenoSol INRA Dijon

2 Les sols une «énorme» diversité biologique! Faune du sol Racines de plantes Micro-algues Microorganismes du sol - Bactéries - Champignons - Virus

ha -1 Biodiversité du sol Racines de plantes Faunes Champignons 10

3 Biomasse vivante du sol hampignons Faunes 10 3 kg C. ha g kg C. ha -1 Biodiversité du sol Racines de plantes Faunes Champignons g g g -1 Bactéries Bactéries 10 3 kg C. ha g -1 Sol = dernier bastion de la biodiversité

4 La biodiversité une assurance pour l avenir! Racines de plantes Une loi écologique forte : l assurance écologique (Loreau 2000) Biodiversité Productivité (fertilité, santé des plantes) Stabilité (résistance, résilience) DURABILITE (des productions, du patrimoine biologique) Biodiversité = assurance à court et moyen termes

5 Lien biodiversité minéralisation de la matière organique du sol Quantité de CO2 émis (mg C-C02 / g de sol) Sol Dilution de la diversité du sol = érosion de la diversité Temps (jours) D1 D2 D3 Gradient de biodiversité Gradient de minéralisation du C Erosion de la de biodiversité du sol = réduction de la minéralisation de la MO Baisse de la fertilité du sol (eutrophisation, acidification, déstructuration du sol ) Maron et al. INRA Dijon

6 Lien biodiversité productivité primaire 29 jours 43jours 63 jours Racines de plantes Sol natif Sol stérile Erosion de la de biodiversité du sol = réduction de la production végétale Mougel et al. INRA Dijon

7 Comment aborder la diversité microbienne des sols? First symposium on microbial ecology First handbook of microbial ecology Brock First scientific international journals on microbial ecology Appl Environ Microbiol. & Microbiol. Ecol. 1 st ISME Racines de plantes omic era nowadays time Étude des individus Etude des populations Etude des communautés Etude des métacommunuatés Développement de milieu de culture 2-D gel electrophoresis Developpement de la biochimie et biologie moléculaire PCR Extraction d acides nucléiques de matrices environnementales (sols, eaux, ) Mass Spectrometry Bio informatic Genomic DNA-SIP Metagenomic Extraction et caractérisation des protéines de matrices environnementales (sols, eaux, ) Metaproteomic/Metabolomic (Maron, Ranjard, Mougel, Lemanceau 2007, Mic Ecol)

8 Une nouvelle voie : l écologie moléculaire microbienne Sol ADN ARN Protéine Substrat Produit Metagenome Metatranscriptome Metaproteome Metabolome Abondance Diversité génétique/taxonomique/fonctionnelle Fonctionnalité Activité Services

9 Ecologie moléculaire : un bilan mitigé Augmentation exponentielle des études sur la biodiversité microbienne des environnements naturels Morris et al., 2002 Manque de standardisation des outils (de l échantillonnage à l analyse moléculaire) Manque de référentiel d interprétation Manque d intégration des échelles larges (spatiales et temporelles) Manque de généricité des résultats

10 Un outil pour standardiser les outils moléculaires et construire des référentiels Web Site

diversité) des communautés microbiennes des sols Système d Information

11 Les missions GenoSol Conservatoire des ressources génétiques Sol Stocker et gérer les ADN de sols Plateforme Technique Caractérisation moléculaire (densité, diversité) des communautés microbiennes des sols Système d Information Environnementale Référentiel sur l abondance et la diversité des communautés microbiennes des sols

12 Les outils disponibles Sol ADN sol Quantité ADN sol qpcr 16S/18 rdna DNA fingerprint Biomasse moléculaire microbienne Densité bactérie Densité champignons Rapport champ./bactéries ARISA Inventaire Taxonomique Séquençage massif ITM Abondance microbienne Structure génétique Indice de diversité

13 Biomasse Moléculaire Microbienne à l échelle de la France Soil DNA yield (µg.g-1 soil) RMQS DNA yield ng.g- 1 soil L-Zone 3 H-Zone 1 Atlantic Ocean ICP Forest niveau 1 L-Zone 1 H-Zone 4 H-Zone 2 ph Azote C org Temp_année ETP année Calcaire Temperature mois ETP Calcium Limons grossiers Sable fins Potassium Phosphorus CEC Argiles Magnesium limons Biomasse Sables moléculaire C/N grossiers Précipitations mensuelles Précipitations annuelles H-Zone 3 L-Zone 2 Mediterranean sea Carte de France de la biomasse moléculaire microbienne Importance du type de sol et de son mode d usage Texture, CEC > Corg, N, ph, C/N >>> paramètres climatiques (Dequiedt et al., 2011, Glob Ecol Biogeog)

14 20,387 25,089 33,938 33,104 32,937 39,756 39,537 Friedman 5% + correction de Bonferroni µg d'adn / g de sol sec Impact des pratiques agricoles sur la Biomasse Moléculaire Microbienne a SN T1 T5 T6 T7 T8 T10 SOL NU Travail du sol (Boigneville, essai environnement) ab bc CIPAN LABOUR bc abc c c CIPAN NON LABOUR Différence significative de biomasse microbienne entre labour et semis direct. Cipan compense la baisse du labour Amendements organiques SOERE PRO Projet ADEME Bioindicateurs II NA Les amendements organiques stimulent la biomasse microbienne Tous les types d amendements n ont pas la même efficacité

15 Diversité et structure génétique des communautés bactériennes du sol 1659 pb 1120 pb 698 pb 200 pb ICP Forest niveau 1 Sol (Infosol Orléans) ADN Génotypage (B-ARISA) = composition de la communauté «Tout n est pas partout» Cartographie de la composition microbienne (Dequiedt et al., 2009, Env. Microbiol.) Communautés bactériennes structurées spatialement ( 140 km de rayon) Régions écologiques de plus ou moins grandes variabilités («diversification») Opposition entre régions Classement des régions selon leur diversité régionale Sud-Est > Nord > Bretagne > Landes

16 Influence du mode d usage des sols sur la diversité microbienne Silt Coarse P K Clay ph cec Silt Fine Mg Temp N ETP month month Rain Rain year month Sand Fine C T year Vignes / Vergers Forêt Syst. Agr. Env. Nat. Prairies ANTHROPISATION calcareous ETP year Sand Coarse C/N ratio Importance du type de sol et du mode d usage des sols Paramètres locaux (notamment ph) > paramètres globaux (climat, reliefs, )

17 Du génotypage au séquençage haut débit Profil de génotypage PyroSéquençage haut débit Structure génétique Inventaire taxonomique des espèces (plusieurs 10 aines de milliers esp/ sols) Vraie estimation de la diversité Identification de populations d intérets agro-écologique (pathogènes, impliqués dans fertilisation )

18 Nbre espéces Inventaire de diversité microbienne sur les sols du RMQS ICP Forest niveau Gde culture ph 8.9 Forêt ph 7.8 Gde culture ph 7.9 Forêt conifères ph 7.9 Prairie ph 5.4 Vignes ph 8.3 ph alcalin Biodiversité Pyroséquençage ph acide Effets sols + modes d usage

19 Nbre espèces Impact des pratiques agricoles Biodiversité Amendement organique Feucherolles, culture avec compost amendé % espèces T Compost de fraction fermentescible des ordures ménagères ou biodéchets Bio DVB Fumier OMR Témoin Compost de boues Fumier de bovins Compost d ordures ménagères résiduelles Projet ADEME BioII

20 Et les paysages Importance d évaluer l impact environnemental des pratiques dans un paysage Indice de qualité du paysage Lien diversité biologique des sols diversité du paysage Ex. paysage Fenay (thèse F. Constancias)

21 Lien diversité microbienne fonctionnement biologique de sols DIMIMOS (ANR Systerra , coord PA Maron) : lien diversité microbienne fonctionnement biologique de sols C-CO2 contr Respiration CO 2 sols Mesure priming-effect Traduction La France gagne t elle de la biodiversité? La France stocke t elle du carbone?

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