Thèse Régulation de l'Architecture Hydraulique Racinaire par les Micro-Organismes Bénéfiques du Sol H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : IPSiM - Institut des Sciences des Plantes de Montpellier
Direction de la thèse : Philippe NACRY ORCID 0000000177664989
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

L'eau est une ressource essentielle à la croissance et à la survie des plantes. Ainsi, le déficit hydrique est un facteur limitant majeur de la productivité agricole et son impact s'aggrave avec l'augmentation des épisodes de sécheresse liée au changement climatique. L'absorption de l'eau du sol par la plante repose sur son système racinaire, dont l'architecture et les propriétés hydrauliques déterminent de manière conjointe l'efficacité de prélèvement. Si les mécanismes du transport racinaire d'eau sont bien documentés en conditions normales, leur régulation sous stress hydrique, en particulier en présence de microorganismes bénéfiques, demeure largement méconnue.
Cette thèse vise à explorer comment le maïs, plante majeure en agriculture, réagit à la combinaison d'un stress hydrique et d'une interaction avec des bactéries de la rhizosphère. Des travaux de l'équipe ont permis de caractériser finement, chez le maïs, le développement racinaire adaptatif au stress osmotique et ont identifié les bases moléculaires des propriétés hydrauliques des racines et de leur réponse locale et systémique au déficit hydrique. Par ailleurs, l'équipe a montré chez Arabidopsis que, bien que le stress osmotique ou la présence de microorganismes pris isolément affectent la croissance racinaire, leur association produit un effet compensatoire permettant de restaurer le développement racinaire. Ce phénomène suggère l'existence d'un mécanisme adaptatif, impliquant notamment la régulation des aquaporines, protéines membranaires essentielles au transport de l'eau, ainsi que des signalisations hormonales et métaboliques encore mal comprises.
L'objectif principal de la thèse sera de décrypter les interactions entre les microorganismes bénéfiques du sol et les mécanismes hydrauliques permettant aux plantes de mieux tolérer le déficit hydrique. Le travail se déroulera en plusieurs étapes :
1.Établir un système de culture simplifié en sol permettant d'analyser les propriétés hydrauliques des racines tout en assurant une interaction stable avec des microorganismes issus du sol.
2.Analyser l'architecture racinaire et mesurer la conductivité hydraulique racinaire en conditions de stress hydrique, en présence ou absence de bactéries.
3.Explorer les bases génétiques et moléculaires des réponses adaptatives, notamment via l'analyse d'une population de maïs et des études transcriptomiques (RNAseq).
4.Valider les mécanismes moléculaires identifiés en utilisant une combinatoire de génotypes/ souches bactériennes.
Ce travail permettra de mieux comprendre comment les plantes régulent l'absorption racinaire d'eau sous stress hydrique en prenant en compte la présence de micro-organismes bénéfiques. Les résultats obtenus, et notamment l'identification de gènes et de cibles moléculaires clés, pourront contribuer au développement de nouvelles stratégies écologiques et durables, visant à optimiser la gestion de l'eau en agriculture, et exploitant les interactions bénéfiques entre plantes et microbiote.

Dans le contexte du changement climatique et de la forte demande en eau des cultures, le déficit hydrique est reconnu comme le contrainte environnementale la plus sévère pour la productivité agricole. Par ailleurs, les différents modèles climatiques prédisent que la disponibilité en eau va devenir de plus en plus aléatoire avec des épisodes extrêmes plus fréquents et plus intenses. Ce scénario est particulièrement impactant pour le maïs dont le cycle végétatif estival est largement soumis aux sècheresses. D'une manière générale, les racines jouent un rôle crucial dans l'absorption de l'eau du sol par les plantes et dans le maintien de leur équilibre hydrique (1-2). L'absorption racinaire d'eau est déterminée, d'une part, par l'architecture du système racinaire, qui détermine sa capacité à explorer le sol et, par les caractéristiques hydrauliques des cellules et tissus. Le déficit hydrique a un impact conjugué sur ces deux grands traits racinaires (3). Par ailleurs, dans les sols, les racines sont en étroite interaction avec une multitude de microorganismes dont certains peuvent affecter le développement et le fonctionnement du système racinaire. Un rôle important de ces interactions dans des contextes de sécheresse a été proposé mais reste très mal connu, notamment en ce qui concerne les propriétés hydrauliques des racines.
Il est donc crucial d'acquérir des connaissances fondamentales sur les interactions plantes/microbiote/sol afin d'améliorer la gestion du déficit hydrique par les plantes.
C'est dans ce contexte que l'équipe mène depuis plusieurs années une approche pluridisciplinaire et multi-échelle sur l'espèce modèle Arabidopsis (5-6) et plus récemment sur le maïs (7-9).
L'équipe a montré que, chez Arabidopsis, les aquaporines, des protéines canal à eau, jouent un rôle central dans le contrôle de la perméabilité à l'eau des racines, notamment en réponse au déficit hydrique (1, 3, 5 et 6). Le déficit hydrique exerce aussi un effet complexe sur le développement racinaire, en fonction de son intensité et du type de racine considéré (10). Ces deux types de réponses, hydraulique et développementale, sont coordonnés et sous contrôle de l'ABA et de l'auxine (10). Les travaux conduits chez le maïs ont montré par ailleurs que les réponses au déficit hydrique dépendent du type racinaire (7). De plus, nous avons mis en évidence une implication de l'acide jasmonique dans les signalisations locales et systémiques produites par les racines de maïs en réponse au déficit hydrique (non publié). Parallèlement, nous développons un projet collaboratif multidisciplinaire portant sur l'étude de l'interaction de plantes d'Arabidopsis avec des souches bactériennes de la rhizosphère. Lors de cette étude, il a été observé que la croissance du système racinaire est inhibée in vitro par un stress osmotique modéré ou par la présence d'une communauté microbienne. En revanche, on observe que l'application simultanée des deux traitements restaure le développement des parties racinaires et aériennes, suggérant une amélioration du statut physiologique de la plante (Desbrosses et al., non publié). Des observations similaires ont récemment été rapportées dans la littérature (11-12).

Ces données montrent donc qu'il existe une forte interaction entre plantes et microorganismes en réponse au stress osmotique, menant à une restauration de la croissance racinaire. Toutefois, très peu de choses sont connues sur l'impact de bactéries rhizosphériques sur la capacité de la plante à prélever de l'eau, et en particulier sur les propriétés hydrauliques de la racine.

1.Mettre en place un système de culture adapté à la fois à la mesure des propriétés hydrauliques des racines (de maïs), à l'analyse de leur architecture et de leurs interactions avec des microorganismes en conditions contrôle et de déficit hydrique.
2.Identifier une ou des communautés microbiennes synthéthiques (SynCom) exerçant un effet bénéfique sur les réponses hydrauliques et de croissance des racines sous déficit hydrique.
3.Analyser finement l'impact de la SynCom sur l'architecture racinaire et les propriétés hydrauliques en réponse à un stress hydrique
4.Identifier les bases moléculaires des réponses adaptatives par une approche combinée de génétique quantitative et d'analyses transcriptomiques et des analyses fonctionnelles.

Le projet de thèse proposé se divisera en quatre étapes.
1)Mise en place d'un système de culture dédié.
Cette première étape est fondamentale pour le déroulé de la thèse. Alors que la culture en hydroponie est adéquate et utilisée en routine pour la mesure des propriétés hydrauliques des racines, ce type de culture n'est pas adapté à la co-culture avec les bactéries et ne mime que partiellement un déficit hydrique. Il faudra donc mettre en place un système de culture en sol reconstitué permettant une bonne colonisation des racines par les micro-organismes, un contrôle fiable du déficit hydrique et un accès aisé au système racinaire pour les mesures hydrauliques. Le cas échéant, d'autres modes de culture seront testés tels que la culture bidimensionnelle sur papier buvard ou l'aéroponie qui est utilisée en routine pour les interactions avec des rhizobactéries ou mycorhizes chez le maïs. Les tests de colonisation seront réalisés par microscopie en utilisant des souches bactériennes marquées.
2)Exploration de l'impact de Communautés Synthétiques (SynCom) bactériennes sur l'architecture racinaire et la conductivité hydraulique racinaire.
Une fois le système de culture établi, la capacité de transport racinaire d'eau sera mesurée au moyen d'un dispositif de chambres à pression semi-automatiques. Celui-ci permet d'imposer, sur un système racinaire excisé, un gradient de potentiel hydrique entre la solution du sol et le xylème, ce qui génère un flux rentrant d'eau. Le flux est mesuré au moyen de débitmètres spécifiques. Cette approche permettra de caractériser l'impact du stress hydrique, des souches bactériennes et de leurs interactions sur la régulation de la conductivité hydraulique. Le rôle des aquaporines dans le transport racinaire d'eau sera mesuré par application d'azide de sodium, , un inhibiteur de l'activité des aquaporines. Les rôles des barrières apoplastiques telles que la subérine et les bandes de Caspary ou des modifications de la structure racinaire seront également explorés par microscopie après marquage.
En parallèle, on caractérisera les effets potentiellement bénéfiques des SynCom bactériennes sur la croissance racinaire en présence d'un déficit hydrique.
L'ensemble des données obtenues permettra d'implémenter le modèle mathématique d'architecture hydraulique développé dans l'équipe.
3)Explorer les bases génétiques et moléculaires des mécanismes impliqués dans ces réponses adaptatives.
Les résultats obtenus précédemment permettront de sélectionner la combinaison de déficit hydrique/SynCom les plus pertinentes pour approfondir les mécanismes de signalisation impliqués. Dans le cadre d'une approche sans à priori, nous explorerons en premier lieu la réponse de croissance d'une population de lignées recombinantes de maïs (RILs) afin d'une part d'identifier des génotypes (3 ou 4 lignées) ayant des réponses contrastées aux traitements et d'autre part d'acquérir des donnés pour une recherche de gènes candidats par une approche de GWAS.

Les lignées recombinantes présentant des réponses les plus marquées seront cultivées dans les conditions optimales de visualisation des phénotypes et les racines seront collectées pour réaliser une étude transcriptomique (RNAseq). L'analyse fine des transcriptomes permettra 1) d'identifier de potentielles voies de signalisation ou fonctions affectées par l'interaction stress osmotique/bactéries, 2) des gènes candidats impliqués dans les réponses adaptatives et 3) confirmer des gènes candidats identifiés par l'approche génétique. Les gènes candidats identifiés seront finement caractérisés par qPCR sur une large gamme de conditions affectant ou modulant la réponse adaptative. Le cas échéant, ce travail pourra être complété par une analyse fonctionnelle chez l'espèce modèle Arabidopsis. En effet, des mutants perte ou gain de fonction, pourront être obtenus afin de valider des gènes candidats particulièrement intéressants.

4)Explorer les bases physiologiques des réponses adaptatives.
Une approche sans a priori sera également mise en place afin d'explorer l'implication des voies de signalisation hormonales ou chimiques (ROS) connues pour affecter l'hydraulique et le développement racinaire en présence de microorganismes et/ou en réponse au déficit hydrique. Pour cela, une approche pharmacologique sera menée sur les lignées recombinantes de maïs présentant les réponses racinaires les plus marquées. Enfin, la réponse adaptative de mutants de maïs affectés dans les voies de signalisations hormonales identifiées sera également explorée en réponse au stress hydriques et/ou la présence de microorganismes.

Master 2 ayant un Intérêt pour la physiologie végétale dans un contexte de recherche et d'interaction biotique non pathogène.
Compétences en biologie cellulaire et moléculaire végétale, en anglais, en travail d'équipe.
Capacité à développer des outils nouveaux.