Quantification de l’effet des racines d’arbres et des microorganismes associes sur l’altération des minéraux de sols forestiers : observations en foret et expérimentations

Diplôme : Dr. d'UniversitéL'importance du processus d'altération des minéraux pour la nutrition des arbres en sols forestiers acides est aujourd'hui admise. En revanche, la contribution du facteur biologique dans ce processus reste inconnue. Dans ce contexte, en associant des études et des expérimentations en forêt à des expériences de laboratoire, notre travail a eu pour objectif de quantifier l'effet de la rhizosphère d' arbres forestiers (racines et micro-organismes associés) sur l'altération des minéraux du sol. Nous avons mis en évidence une augmentation de l'altération des minéraux (dissolution et transformation) dans la rhizosphère des arbres en forêt, suggérant un rôle important de ce compartiment dans la dynamique des éléments minéraux et dans l'évolution des sols. Grâce à la caractérisation in vitro du potentiel d'altération de souches microbiennes isolées de sol forestier global et d'ectomycorhizes, nous avons pu montrer une structuration fonctionnelle des communautés bactériennes cultivables, qui suggère une sélection exercée par la symbiose ectomycorhizienne en faveur des souches améliorant la nutrition minérale. Par ailleurs, grâce à un dispositif de culture en colonne que nous avons développé, nous avons démontré lors de différentes interactions plante bactéries - champignons que racines et bactéries augmentent de manière significative la mobilisation de certains cations (Mg, K, Fe, Cs, Ni), via l'altération d'un minéral test. Ce processus biologique est affecté en présence d'éléments toxiques comme l'uranium. Au vu de l'ensemble de nos résultats, notre travail permet de proposer l'hypothèse que, dans les sols forestiers, la disponibilité en nutriments contrôlerait l'altération biologique par son impact sur l'activité des racines et des microorganismes associés. Ceci suggère une forte plasticité des écosystèmes forestiers dans le domaine de la nutrition, qui pourrait expliquer en partie la durabilité de ces écosystèmes

Quantification de l'effet des racines d'arbres et des microorganismes associés sur l'altération des minéraux de sols forestiers : observations en forêt et expérimentations

The impact of the mineral weathering process on tree nutrition in acidic forest soils is well known. However, the quantitative effect of different biological factors on this process remains to be clarified. In this context, the aim of the present work was to quantify the impact of the rhizosphere of forest trees (roots and associated microorganisms) on the weathering of soil minerals. In forest, we observed an increase of the weathering of minerals (dissolution and transformation) in the rhizosphere of trees, suggesting an important impact of the tree rhizosphere on the dynamics of minerals as well as on soil evolution. We characterized in vitro the weathering potential of microorganisms which were isolated in forest from bulk soil and ectomycorrhizas. We showed that the ectomycorrhizal symbiosis significantly structures the functional diversity of culturable bacterial communities and selects strains potentially beneficial to tree nutrition. We developed a column experiment to quantify the respective impact of plant, bacteria and fungi on the weathering process. We demonstrated that tree roots and bacteria significantly increase Mg, K, Fe, Cs, Ni mobilisation via the weathering of a reference mineral. This process is altered in the presence of toxic elements such as uranium. Considering the whole of our results, we can propose the following hypothesis: in forest soils, the nutrient bioavailability determines the mineral weathering due to its impact on the root and microorganism activity. This suggests an important plasticity of forest ecosystems towards nutrition, which could partly explain the sustainability of these ecosystems.L'importance du processus d'altération des minéraux pour la nutrition des arbres en sols forestiers acides est aujourd'hui admise. En revanche, la contribution du facteur biologique dans ce processus reste inconnue. Dans ce contexte, en associant des études et des expérimentations en forêt à des expériences de laboratoire, notre travail a eu pour objectif de quantifier l'effet de la rhizosphère d' arbres forestiers (racines et micro-organismes associés) sur l'altération des minéraux du sol. Nous avons mis en évidence une augmentation de l'altération des minéraux (dissolution et transformation) dans la rhizosphère des arbres en forêt, suggérant un rôle important de ce compartiment dans la dynamique des éléments minéraux et dans l'évolution des sols. Grâce à la caractérisation in vitro du potentiel d'altération de souches microbiennes isolées de sol forestier global et d'ectomycorhizes, nous avons pu montrer une structuration fonctionnelle des communautés bactériennes cultivables, qui suggère une sélection exercée par la symbiose ectomycorhizienne en faveur des souches améliorant la nutrition minérale. Par ailleurs, grâce à un dispositif de culture en colonne que nous avons développé, nous avons démontré lors de différentes interactions plante bactéries - champignons que racines et bactéries augmentent de manière significative la mobilisation de certains cations (Mg, K, Fe, Cs, Ni), via l'altération d'un minéral test. Ce processus biologique est affecté en présence d'éléments toxiques comme l'uranium. Au vu de l'ensemble de nos résultats, notre travail permet de proposer l'hypothèse que, dans les sols forestiers, la disponibilité en nutriments contrôlerait l'altération biologique par son impact sur l'activité des racines et des microorganismes associés. Ceci suggère une forte plasticité des écosystèmes forestiers dans le domaine de la nutrition, qui pourrait expliquer en partie la durabilité de ces écosystèmes

Quantifications de l’effet des racines d’arbres et des microorganismes associés, sur l’altération des minéraux de sols forestiers : observations en forêt et expérimentations

n° national de thèse : 2006NAN10129 Diplôme : Dr. d'UniversitéL’importance du processus d’altération des minéraux pour la nutrition des arbres en sols forestiers acides est aujourd’hui admise. En revanche, la contribution du facteur biologique dans ce processus reste inconnue. Dans ce contexte, en associant des études et des expérimentations en forêt à des expériences de laboratoire, notre travail a eu pour objectif de quantifier l’effet de la rhizosphère d’arbres forestiers (racines et micro-organismes associés) sur l’altération des minéraux du sol. Nous avons mis en évidence une augmentation de l’altération des minéraux (dissolution et transformation) dans la rhizosphère des arbres en forêt, suggérant un rôle important de ce compartiment dans la dynamique des éléments minéraux et dans l’évolution des sols. Grâce à la caractérisation in vitro du potentiel d’altération de souches microbiennes isolées de sol forestier global et d’ectomycorhizes, nous avons pu montrer une structuration fonctionnelle des communautés bactériennes cultivables, qui suggère une sélection exercée par la symbiose ectomycorhizienne en faveur des souches améliorant la nutrition minérale. Par ailleurs, grâce à un dispositif de culture en colonne que nous avons développé, nous avons démontré lors de différentes interactions plante – bactéries - champignons que racines et bactéries augmentent de manière significative la mobilisation de certains cations (Mg, K, Fe, Cs, Ni), via l’altération d’un minéral test. Ce processus biologique est affecté en présence d’éléments toxiques comme l’uranium. Au vu de l’ensemble de nos résultats, notre travail permet de proposer l’hypothèse que, dans les sols forestiers, la disponibilité en nutriments contrôlerait l’altération biologique par son impact sur l’activité des racines et des microorganismes associés. Ceci suggère une forte plasticité des écosystèmes forestiers dans le domaine de la nutrition, qui pourrait expliquer en partie la durabilité de ces écosystèmes

Quantification de l'effet des racines d'arbres et des microorganismes associés sur l'altération des minéraux de sols forestiers (observations en forêt et expérimentations)

L importance du processus d altération des minéraux pour la nutrition des arbres en sols forestiers acides est aujourd hui admise. En revanche, la contribution du facteur biologique dans ce processus reste inconnue. Dans ce contexte, en associant des études et des expérimentations en forêt à des expériences de laboratoire, notre travail a eu pour objectif de quantifier l effet de la rhizosphère d arbres forestiers (racines et micro-organismes associés) sur l altération des minéraux du sol. Nous avons mis en évidence une augmentation de l altération des minéraux (dissolution et transformation) dans la rhizosphère des arbres en forêt, suggérant un rôle important de ce compartiment dans la dynamique des éléments minéraux et dans l évolution des sols. Grâce à la caractérisation in vitro du potentiel d altération de souches microbiennes isolées de sol forestier global et d ectomycorhizes, nous avons pu montrer une structuration fonctionnelle des communautés bactériennes cultivables, qui suggère une sélection exercée par la symbiose ectomycorhizienne en faveur des souches améliorant la nutrition minérale. Par ailleurs, grâce à un dispositif de culture en colonne que nous avons développé, nous avons démontré lors de différentes interactions plante bactéries - champignons que racines et bactéries augmentent de manière significative la mobilisation de certains cations (Mg, K, Fe, Cs, Ni), via l altération d un minéral test. Ce processus biologique est affecté en présence d éléments toxiques comme l uranium. Au vu de l ensemble de nos résultats, notre travail permet de proposer l hypothèse que, dans les sols forestiers, la disponibilité en nutriments contrôlerait l altération biologique par son impact sur l activité des racines et des microorganismes associés. Ceci suggère une forte plasticité des écosystèmes forestiers dans le domaine de la nutrition, qui pourrait expliquer en partie la durabilité de ces écosystèmes.The impact of the mineral weathering process on tree nutrition in acidic forest soils is well known. However, the quantitative effect of different biological factors on this process remains to be clarified. In this context, the aim of the present work was to quantify the impact of the rhizosphere of forest trees (roots and associated microorganisms) on the weathering of soil minerals. In forest, we observed an increase of the weathering of minerals (dissolution and transformation) in the rhizosphere of trees, suggesting an important impact of the tree rhizosphere on the dynamics of minerals as well as on soil evolution. We characterized in vitro the weathering potential of microorganisms which were isolated in forest from bulk soil and ectomycorrhizas. We showed that the ectomycorrhizal symbiosis significantly structures the functional diversity of culturable bacterial communities and selects strains potentially beneficial to tree nutrition. We developed a column experiment to quantify the respective impact of plant, bacteria and fungi on the weathering process. We demonstrated that tree roots and bacteria significantly increase Mg, K, Fe, Cs, Ni mobilisation via the weathering of a reference mineral. This process is altered in the presence of toxic elements such as uranium. Considering the whole of our results, we can propose the following hypothesis: in forest soils, the nutrient bioavailability determines the mineral weathering due to its impact on the root and microorganism activity. This suggests an important plasticity of forest ecosystems towards nutrition, which could partly explain the sustainability of these ecosystems.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Rhizosphere impact on the dissolution of test minerals in a forest ecosystem

International audienceAs soil minerals are the principal input of nutrients in non-fertilized forests, the parameters which influence their dissolution must be determined to predict ecosystem sustainability. Notably, biological activities within the rhizosphere, such as root and micro-organism exudation and respiration, considerably affect mineral dissolution rate. Numerous laboratory studies have even demonstrated that certain biological processes involved in mineral weathering can be stimulated in low-nutrient availability conditions, resulting in an improvement of plant nutrition. The objective of this work was to determine in the field if the mineral dissolution rate linked to root and root-associated micro-organism activity is increased in low-nutrient availability conditions. Here, the impact of the rhizosphere on the dissolution of test minerals containing Ca (fluorapatite and labradorite plagioclase) was assessed in an acid forest soil in two stands of mature beeches (Fagus sylvatica) presenting two levels of Ca availability: a control plot as well as a plot fertilized with Ca. Mineral-test bags were inserted at three different depths (−2.5, −10 and −20 cm) in the control and the Ca-fertilized plots into both a zone with roots as well as a zone where roots had been excluded, thus permitting to assess the effect of the rhizosphere on the mineral dissolution. After four years of incubation in the soil, the minerals were weighed and observed by scanning electron microscope. In the control stand, linear dissolution voids were only observed on the mineral surfaces incubated in the zone with roots, suggesting that local biological activities occurring in the rhizosphere affect mineral weathering. This positive effect of the rhizosphere in the control stand was confirmed by quantification of the mineral dissolution, which revealed an increase of fluorapatite and labradorite weathering, reaching factors 3 to 4 at 20-cm depth. In contrast, the beech rhizosphere did not increase mineral dissolution, hyphae colonisation or linear dissolution marks in the Ca-fertilized stand. These results suggest that the rhizospheric biological activities acting on mineral weathering could be regulated by the nutrient availability in the ecosystem. This plasticity of the rhizospheric biological activities may thus contribute to the maintenance of ecosystem sustainability

Rhizosphere in the forest ecosystems: A favorable interface for tree nutrition

International audienc

Temporal dynamics of exchangeable K, Ca and Mg in acidic bulk soil and rhizosphere under Norway spruce (Picea abies Karst.) and beech (Fagus sylvatica L.) stands

International audienceAims The aim of this study was to assess the seasonal influence on the dynamics of exchangeable nutrients (K, Ca and Mg) in acidic and nutrient-poor forest soils, where nutrients can become limiting for tree growth. Methods The amounts of exchangeable base cations (K++Ca2++Mg2+) were measured in soil samples collected in three soil compartments (Bulk, Outer Rhizosphere, and Inner Rhizosphere) and in 4 months (November, February, May and August) under two stands of 31-year-old Norway spruce and beech in an acidic temperate forest. Results In all season, both rhizosphere compartments were enriched in exchangeable nutrients compared to bulk soil. This suggests that tree roots and rootassociated microorganisms (bacteria and mycorrhizal fungi) increased nutrient availability through mineral weathering or mineralization processes, and thus could contribute to forest sustainability in nutrient-poor conditions. Interestingly, in contrast to beech, a drastic decrease of exchangeable base cations was observed in bulk soil of spruce between November and February (higher than 80% for K and Mg, and 100% for Ca). The relation between this decrease, Al solubility, and nitrate concentration are evoked in the discussion. Conclusion This study reveals that processes resulting from interactions between trees, microorganisms and soil influence not only the seasonal dynamics of nutrients in the root vicinity but also the bulk soil function

Root-Associated Bacteria Contribute to Mineral Weathering and to Mineral Nutrition in Trees: a Budgeting Analysis

The principal nutrient source for forest trees derives from the weathering of soil minerals which results from water circulation and from plant and microbial activity. The main objectives of this work were to quantify the respective effects of plant- and root-associated bacteria on mineral weathering and their consequences on tree seedling growth and nutrition. That is why we carried out two column experiments with a quartz-biotite substrate. The columns were planted with or without pine seedlings and inoculated or not with three ectomycorrhizosphere bacterial strains to quantify biotite weathering and pine growth and to determine how bacteria improve pine growth. We showed that the pine roots significantly increased biotite weathering by a factor of 1.3 for magnesium and 1.7 for potassium. We also demonstrated that the inoculation of Burkholderia glathei PML1(12) significantly increased biotite weathering by a factor of 1.4 for magnesium and 1.5 for potassium in comparison with the pine alone. In addition, we observed a significant positive effect of B. glathei PMB1(7) and PML1(12) on pine growth and on root morphology (number of lateral roots and root hairs). We demonstrated that PML1(12) improved pine growth when the seedlings were supplied with a nutrient solution which did not contain the nutrients present in the biotite. No improvement of pine growth was observed when the seedlings were supplied with all the nutrients necessary for pine growth. We therefore propose that the growth-promoting effect of B. glathei PML1(12) mainly resulted from the improved plant nutrition via increased mineral weathering

The effect of plants and soil bacteria on mineral weathering

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Effect of plants and soil bacteria on mineral weathering

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