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Page de résumé pour ULgetd-02112010-102732

Auteur : Malchair, Sandrine
E-mail de l'auteur : S.Malchair@ulg.ac.be
URN : ULgetd-02112010-102732
Langue : Français/French
Titre : Microbial diversity and activity in temperate forest and grassland ecosystems
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département des sciences de la vie
Jury :
Nom : Titre :
Castillo Cabello, G. Membre du jury/Committee Member
Cauchie, H.M. Membre du jury/Committee Member
Ceulemans, R. Membre du jury/Committee Member
Laverman, A. Membre du jury/Committee Member
Ponette, Q. Membre du jury/Committee Member
Thomé, J.P. Président du jury/Committee Chair
Carnol, M. Promoteur/Director
Mots-clés :
  • PCA
  • tree species
  • nitrogen mineralization
  • soil respiration
  • forest soils
  • plant species richness
  • basal respiration
  • biodiversity-ecosystem
  • PCR-DGGE
  • climate warming
  • nitrification
  • ammonia-oxidizing bacteria community structure
  • plant functional groups
Date de soutenance : 2009-12-14
Type d'accès : Restreint/Intranet
Résumé :

Ecosystems currently face widespread biodiversity losses and other environmental disturbances, such as climate warming, related to increased anthropogenic activities. Within this context, scientists consider the effects of such changes on the biodiversity, and hence on the activity, of soil microorganisms. Indeed, soil microorganisms mediate a wide range of soil

processes. Currently, knowledge on soil microbial diversity is still limited, partially due to technical limitations. The advent of molecular-based analyses now allows studying the soil microbial diversity. These advances in the study of soil microbial communities have lead to a growing evidence of the critical role played by the microbial community in ecosystem

functioning. This relationship is supposed to be relevant for narrow processes, regulated by a restricted group of microorganisms, such as the nitrification process.

This PhD thesis aimed at studying ammonia oxidizing bacteria (AOB) community structure and richness as an integrated part of soil functioning. This research aimed at investigating the effect of aboveground plant diversity on ammonia oxidizing bacteria diversity and function in

forest and grassland soils with focus on the influence of (a) functional group identity of grassland plants (legumes, grasses, forbs), (b) grassland plant species richness and (c) tree species, on AOB diversity and function. Another objective of this research was to study the effect of a 3°C increase in air temperature on AOB diversity and function. The link between AOB diversity and function (potential nitrification) is also investigated.

For grassland ecosystems, a microcosm experiment was realized. An experimental platform containing 288 assembled grassland communities was established in Wilrijk (Belgium). Grassland species were grown in 12 sunlit, climate controlled chambers. Each chamber contained 24 communities of variable species richness (S) (9 S=1, 9 S=3 and 6 S=9).The grassland species belonged to three functional groups: three species of each grasses (Dactylis

glomerata L., Festuca arundinacea SCHREB., Lolium perenne L.), forbs (non-N-fixing dicots; Bellis perennis L., Rumex acetosa L., Plantagolanceolata L.), and legumes (N-fixing dicots; Trifolium repens L., Medicago sativa L., Lotus corniculatus L.). Half of these chambers were exposed to ambient temperature and the other half were exposed to (ambient +3°C) temperature. One ambient and one (ambient+3°C) chambers were destructively harvested 4, 16 and 28 months after the start of the experiment. The influence of plant functional group identity on the nitrification process and on AOB community structure and richness (AOB diversity) was assessed in soils collected from the first two destructive amplings (chapter 2). The effect of plant species richness on AOB diversity and function was

considered for soils sampled after 16 and 28 months (chapter 3). AOB function was determined by potential nitrification. AOB community structure and richness were assessed by polymerase chain reaction followed by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and sequencing of excised DGGE bands. I found that functional group identity can affect AOB community structure. In particular, the presence of legumes, both in monoculture or in mixture with forbs and grasses, lead to AOB community composition changes towards AOB clusters tolerating higher ammonium concentrations. This change in AOB community structure was only linked to increased potential nitrification under monocultures of legumes, when ammonium was supposed to be not limiting. This study revealed that physiological attributes of AOB and resource availability may be important factors in controlling the nitrification process. This research showed that the impact of plant species richness on the nitrification process could be mediated by the interactions between plants and AOB, through competition for substrate. A 3°C increase in air temperature did not affect AOB community structure, richness or function.

In forest ecosystems, we studied the effect of tree species in forest sites located in Belgian and in the Grand-Duchy of Luxembourg covered each by several deciduous or coniferous tree species (Fagus sylvatica L., Quercus petraea (Mattuschka) Lieblein, Picea abies (L.) Karst, Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco). We investigated the influence of these tree

species on microbial processes (chapter 5) related to C and N cycling, particularly with emphasize on the nitrification process and on the diversity of AOB (chapter 6). The results showed that the effect of tree species on net N mineralization was likely to be mediated through their effect on soil microbial biomass, reflecting their influence on organic matter content and carbon availability. Influence of tree species on nitrification (potential and

relative) might be related to the presence of ground vegetation through its influence on soil ammonium and labile C availability. AOB community structure was more site-specific than tree specific. However, within sites, AOB community structure under broadleaved trees differed from the one under coniferous trees. The effect on tree species on AOB was likely to be driven by the influence of tree species on net N mineralization, which regulates the substrate availability for AOB. The results also demonstrated that the relationship between AOB diversity and function might be related both to AOB abundance and AOB community structure and richness.

This thesis showed no clear relationship between AOB community structure or richness and AOB function. However, we revealed that aboveground grassland plant richness, grassland plant functional groups and tree species influence AOB community structure and richness.

Actuellement, les écosystèmes sont soumis à d’importantes pressions anthropiques et environnementales, pouvant aboutir à des pertes massives de biodiversité. Les scientifiques s’interrogent sur l’impact de ces perturbations sur la diversité et, par conséquent, sur l’activité des microorganismes du sol. En effet, ceux-ci régulent de nombreux processus du sol.

Actuellement, de nombreuses lacunes subsistent dans la connaissance de la diversité microbienne du sol. Celles-ci peuvent être partiellement attribuées aux difficultés méthodologiques associées à l'étude des micro-organismes du sol. L’avènement des techniques moléculaires nous permet de combler ces lacunes. Les avancées réalisées dans l'étude des communautés microbiennes du sol ont mis en évidence le rôle crucial joué par les communautés microbiennes dans le fonctionnement des écosystèmes. De plus, il semblerait

que les processus régulés par un groupe restreint d’organismes, tel le processus de nitrification, soient plus sensibles à toute altération de la communauté.

L’objectif de cette thèse était d’étudier la structure de la communauté ainsi que la richesse (nombre de bandes DGGE) des bactéries oxydant l’ammoniac (AOB) comme une partie intégrante du fonctionnement des sols. Notre étude se focalisait sur l’influence de (a) différents groupes fonctionnels de plantes (graminées, légumineuses, dicotylédones), (b) communautés de plantes présentant une richesse spécifique croissante et (c) différentes essences forestières, sur la diversité (structure de la communauté et richesse des AOB) et la fonction des AOB. Cette recherche étudiait également l’impact d’une augmentation de température de 3°C sur ces paramètres. L’établissement d’un lien éventuel entre la diversité et la fonction (nitrification potentielle) des AOB a aussi été envisagé.

Concernant les écosystèmes prairiaux, nous avons réalisé une étude en microcosmes. Une plateforme expérimentale comprenant 288 communautés artificielles de plantes a été établie à Wilrijk (Belgique). Cette plateforme consistait en 12 chambres, dont une moitié était à température ambiante et la seconde était à température ambiante augmentée de 3°C. Chaque chambre contient 24 communautés de plantes de richesse spécifique variable (9 S=1, 9 S=3 et 6 S=9). Les communautés de plantes sont créées avec 9 espèces de plantes appartenant à trois groupes fonctionnels : 3 espèces de graminées (Dactylis glomerata L., Festuca arundinacea

SCHREB., Lolium perenne L.), de légumineuses (dicotylédones fixatrices d’azote ;Trifolim repens L., Medicago sativa L., Lotus corniculatus L.), et de dicotylédones non fixatrices d’azote (Bellis perennis L., Rumex acetosa L., Plantago lanceolata L.).

Les sols issus d’une chambre à température ambiante et d’une chambre à température ambiante augmentée de 3°C ont été échantillonnés, respectivement, 4, 16 et 28 mois après le début de l’expérimentation. L’influence des groupes fonctionnels de plantes sur le processus de nitrification ainsi que sur la structure de la communauté et la richesse des AOB a été mesuré sur les sols issus des deux premiers échantillonnages (chapitre 2). Nous avons mesuré l’effet de la richesse croissante en plantes sur la diversité et l’activité des AOB sur les sols échantillonnés après 16 et 28 mois d’expérimentation (chapitre 3). La structure de la communauté ainsi que la richesse des AOB ont été évaluées à l’aide d’une amplification spécifique par réaction de polymérisation en chaîne (PCR) de l’ADN génomique extrait du sol suivie par une séparation par électrophorèse sur gel d’acrylamide en présence d’un gradient dénaturant (DGGE). Nous avons identifié les différentes AOB présentes par séquençage des bandes DGGE excisées. Nos résultats ont montré que les différents groupes fonctionnels peuvent affecter la structure de la communauté des AOB. En particulier, la présence de légumineuses, aussi bien en monoculture qu’en mélange avec des graminées ou des dicotylédones non fixatrices d’azote, provoque des changements au sein de la structure de la communauté des AOB, favorisant la présence de clusters tolérants des concentrations en ammonium plus élevées. Ces changements de la structure de la communauté des AOB sont liés à des augmentations de la production potentielle de nitrates (nitrification potentielle) quand l’ammonium est supposé être non limitant. Cette étude révèle que la physiologie des AOB ainsi que la disponibilité en substrat peuvent être des facteurs majeurs intervenant dans le contrôle du processus de nitrification. Cette recherche montre que l’influence de la richesse spécifique des plantes sur la nitrification pourrait dépendre des interactions entre les plantes et les AOB via la compétition pour le substrat. Une augmentation de la température de l’air de 3°C n’a pas influencé les richesse, structure de la communauté ou les fonctions des AOB.

Pour les écosystèmes forestiers, nous aborderons l’effet de différentes essences forestières (Picea abies (L.) KARST, Fagus sylvatica L., Quercus petraea LIEBLEIN ; Pseudotsuga menziezii (MIRB.) FRANCO) dans différents peuplements au Grand Duché du Luxembourg et en Belgique. Nous avons étudié l'influence de ces essences forestières sur les processus microbiens (chapitre 5) liés aux cycles du carbone et de l’azote, en particulier leur effet sur le processus de nitrification et la diversité des AOB (chapitre 6). Notre étude révèle que l’influence des essences forestières sur la minéralisation nette de l’azote pourrait être attribuable à leur effet sur la biomasse microbienne, reflétant ainsi leur effet sur la teneur en matière organique et la disponibilité en carbone. L’impact des essences forestières sur la nitrification (à la fois sur la nitrification relative et sur la nitrification potentielle) serait conditionné par la présence de végétation au sol, en raison de l’influence de celle-ci sur la disponibilité en ammonium et en carbone labile. Nous avons observé que la structure de la communauté des AOB était plus spécifique aux sites qu’aux essences forestières. Cependant, au sein d’un site, elle différait sous feuillus et sous conifères. Les essences forestières influenceraient la structure de la communauté des AOB au travers de l’impact qu’elles ont sur la minéralisation nette de l’azote qui régule, quant à elle, la disponibilité en ammonium. Cette recherche démontre que le lien observé entre la diversité et la fonction dépendrait la fois de l’abondance, de la structure de la communauté et de la richesse des AOB.

Cette thèse n’a révélé aucune relation claire entre la structure de la communauté ou la richesse des AOB et leur fonction. Par contre, nous avons observé que la richesse spécifique et les groupes fonctionnels de plantes prairiales et les essences forestières affectent la structure de la communauté et la richesse des AOB.

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