Caractérisation de la rhizodéposition du maïs (Zea mays L.) en réponse à la présence d’hydrocarbures aromatiques polycycliques et d’éléments traces métalliques

This thesis focuses on the functioning of the rhizosphere in the context of revegetation of contaminated soils. We evaluated the impact of model contaminants (phenanthrene and cadmium) on maize (Zea mays L.) rhizodeposition to better understand the role of rhizodeposition in the plant's tolerance to this type of abiotic stress. To this end, a system of plant cultivation and rhizodeposit collection was set up to assess the response of maize to pollutant exposure. Our methodological development aimed at placing the plants in conditions as close as possible as those of soil cultivation, while allowing the collection of the two main families of rhizodeposits: root exudates and mucilage. Tools for characterizing the collected rhizodeposits were developed (colorimetric analyses, LC-MS, GC-MS) in order to determine the main families of compounds emitted by roots such as carbohydrates, amino acids, proteins and organic acids. Finally, the role of the molecules highlighted in our experiments on pollutant dynamics was discussed. This study revealed changes in the metabolic profile of rhizodeposition in presence of pollutants and those differences may vary considering the nature of the pollutant (organic or metallic). Cd caused a decrease of almost all compound emissions by maize roots (total carbon, carbohydrates, amino acids). Only proteins did not appear to be affected by the presence of the metal, while the exudation of organic acids increased with Cd exposure. Phenanthrene, on the other hand, increased the quantity of exuded carbon while it decreased the carbon secreted in the mucilage. In addition, it induced an increase in the emission of simple and polymerized carbohydrates, fatty acids and proteins while diffused organic acids decreased. In addition to the presence of pollutants, the development of maize was studied by analysing its rhizodeposition at the 4, 6 and 8-leaf stages. The effect of Cd on exudation seemed to increase from the 6-leaf stage, while that of phenanthrene tended to decrease. On the other hand, the influence of pollutants on mucilage seemed less marked and more constant over time. Finally, many rhizodeposited molecules have been identified as playing a role in the pollutants’ dynamics in the soil and therefore in their tolerance by the plant, in particular through complexation or solubilisation mechanisms.Cette thèse porte sur le fonctionnement de la rhizosphère dans un contexte de végétalisation de sols contaminés. Nous avons évalué l’impact de contaminants modèles (phénanthrène et cadmium) sur la rhizodéposition du maïs (Zea mays L.), afin de mieux comprendre le rôle joué par la rhizodéposition dans la tolérance de la plante à ce type de stress abiotique. Pour cela, un dispositif de culture et de collecte des rhizodépôts permettant d’évaluer la réponse du maïs à une exposition aux polluants a été mis en place. Ce développement méthodologique s’est attaché en particulier à mettre les plantes dans des conditions amenant à un fonctionnement aussi proche que possible de celui de conditions de culture normales dans un sol, tout en permettant la collecte des deux principales familles de rhizodépôts : les exsudats racinaires et le mucilage. Des outils de caractérisation des rhizodépôts récoltés ont été développés (analyses colorimétriques, LC-MS, GC-MS) afin de doser les principales familles de composés émis par les racines telles que les glucides, les acides aminés, les protéines et les acides organiques. Enfin, les rôles connus des molécules mises en évidence dans les expériences précédentes sur la dynamique des polluants ont été discutés. Cette étude a permis de mettre en évidence des modifications du profil métabolique de la rhizodéposition en présence de polluants et ce de façon différenciée selon qu’il s’agissait de polluants organiques ou métalliques. La présence de Cd entraine chez le maïs une diminution globale des composés émis par les racines (carbone total, glucides, acides aminés). Seules les protéines ne semblent pas être affectées par la présence du métal tandis que l’exsudation d’acides organiques augmente avec l’exposition au Cd. Le phénanthrène, quant à lui, entraîne une augmentation du carbone exsudé alors qu’il entraîne au contraire une diminution du carbone secrété dans le mucilage. De plus, il induit une augmentation de l’émission des glucides simples et polymérisés, des acides gras et des protéines tandis qu’il entraîne une baisse de la diffusion d’acides organiques. En plus de la présence de polluants, le développement du maïs a été étudié en analysant parallèlement sa rhizodéposition aux stades 4, 6 et 8 feuilles. L’effet du Cd sur l’exsudation semble s’accentuer à partir du stade 6 feuilles tandis que celui du phénanthrène tend au contraire à s’atténuer. L’influence des polluants sur le mucilage semble en revanche moins marquée et plus constante au cours du temps. Enfin, de nombreuses molécules rhizodéposées ont été identifiées comme pouvant jouer un rôle dans la dynamique des polluants dans le sol et par conséquent leur tolérance par la plante, notamment au travers des mécanismes de complexation ou de solubilisation

Impact of phenanthrene on primary metabolite profiling in root exudates and maize mucilage

International audienc

Profiling of main metabolites in root exudates and mucilage collected from maize submitted to cadmium stress

The aim of this study was to characterize qualitatively and quantitatively the composition of the main rhizodeposits emitted from maize (Zea mays) under Cd stress, in order to discuss their role in Cd availability and tolerance. Maize was grown for 6weeks in sand at four Cd exposure levels (0, 10, 20, and 40M Cd in nutrient solution) and two types of rhizodeposits were collected at the end of cultivation period. Mucilage and other molecules adhering to rhizospheric sand were extracted with a buffer before root exudates were collected by diffusion into water. Total carbon, proteins, amino acids, and sugars were analyzed for both rhizodeposit types and about 40 molecules were identified using GC-MS and LC-MS. Cadmium effect on plant morphology and functioning was slight, but consistent with previous works on Cd toxicity. However, rhizodeposition did tend to be impacted, with a decrease in total carbon, sugars, and amino acids correlating with an increasing Cd content. Such a decrease was not noticeable for proteins in root exudates. These observations were confirmed by the same trends in individual compound contents, although the results were generally not statistically significant. Many of the molecules determined are well-known to modify, whether directly or indirectly, Cd speciation and dynamics in the soil and could play a role in Cd tolerance