Analyse et modélisation des interactions entre les propriétés hydriques du sol et le système « racines-rhizosphère-microflore »

Analyse et modélisation des interactions entre les propriétés hydriques du sol et le système « racines-rhizosphère-microflore »

Le Changement Climatique que subit la Terre a pour conséquences, entre autres, une évapotranspiration accrue du couvert végétal accompagnée de déficits variables en précipitations. Ceci induit une augmentation des pressions sur les ressources en eau, en particulier par l’agriculture. Développer des systèmes agricoles plus efficients en eau et capables de résister aux déficits hydriques est plus que jamais nécessaire.

Enjeux et problématique :

Le Changement Climatique que subit la Terre a pour conséquences, entre autres, une évapotranspiration accrue du couvert végétal accompagnée de déficits variables en précipitations. Ceci induit une augmentation des pressions sur les ressources en eau, en particulier par l’agriculture. Développer des systèmes agricoles plus efficients en eau et capables de résister aux déficits hydriques est plus que jamais nécessaire. Nous constatons aussi, en particulier en région méditerranéenne, l'apparition plus fréquente d'événements extrêmes de type canicule, sécheresse (mais aussi pluie intenses). Ces événements extrêmes, leur intensité et la soudaineté avec laquelle ils arrivent sont de nature à affecter directement la croissance des plantes mais peuvent également toucher la vie du sol, en particulier les communautés microbiennes du sol, en diversité et en fonctionnalités.

Dans le sol, la rhizosphère, qui est la zone de sol influencée par l’activité des racines, est un véritable « point-chaud » d’activités biologiques et physico-chimiques. Elle présente des caractéristiques biophysiques particulières par rapport à d’autres zones du sol, liées aux interactions étroites entre les racines, le sol et la microflore, interactions fondamentales pour la diversité et la productivité des agrosystèmes.

Ces propriétés spécifiques de la rhizosphère dépendent du développement de la plante et de ses racines, de sa physiologie, qui sont elles-mêmes influencées par les conditions hydriques du milieu. Mais ces propriétés dépendent également des dynamiques et activités microbiennes, qui sont aussi influencées par les racines et les conditions hydriques. Ainsi, la rhizosphère est un milieu où les agrégats du sol sont plus stables et la densité, la porosité et les transferts de l’eau et des nutriments vont être modifiés par rapport au sol « moyen » loin des racines.

Les conditions hydriques statiques et dynamiques dans la rhizosphère seraient liées aux effets physiques des racines elles-mêmes, mais aussi à des substances extracellulaires produites par les racines et les micro-organismes, tels que des exopolyaccharides (EPS), qui influent sur les variations de conditions d’humidité et de nutriments en jouant un rôle de tampon et de transfert. En retour, ces conditions physico-biologiques rhizosphériques liées aux EPS pourraient induire des comportements particuliers en termes de diversité, d’activité, de résistance et de résilience des micro-organismes rhizosphériques face au stress hydrique, influençant possiblement le prélèvement en eau et nutriments des plantes elles-mêmes.

Comprendre et possiblement agir sur cet environnement biophysique rhizosphérique, fait de rétroactions plante-sol, pourrait être un levier d'action basé sur une  Solution Fondée sur la Nature (SFN) pour limiter les effets du déficit hydrique sur les culture et maintenir leur productivité.

Nos travaux sur ces interactions biophysiques dans la rhizosphère portent sur :

- les réponses (résistance, résilience) des communautés microbiennes et de leurs fonctions cataboliques face aux stress hydriques et thermiques.

- la caractérisation des propriétés biophysiques de la rhizosphère (propriétés de rétention et transfert, EPS, activités microbiennes) en relation avec la tolérance au déficit hydrique.

- l’analyse de l’évolution temporelle des propriétés hydriques des sols, sous l’action de la croissance / senescence racinaire et de la rhizosphère associée (dynamique de production / dégradation / rétention des EPS).

Pour cela, nous développons :

- des expérimentations à différences échelles (bioessais, microcosmes, colonnes, parcelles agricoles …) dans différents contextes d’agrosystèmes (grandes cultures, cultures légumières, agroforesterie …).

- des approches de modélisation, de couplage de modèles et d’inversion de modèles pour représenter le système sol-rhizosphère-racine sous les angles de l’hydrophysique, la physico-chimie associée et la biologie ; allant de l’échelle du segment de racine à la population de plantes.

ENGLISH VERSION:

The Climate Change that the Earth is undergoing results in increased evapotranspiration (ETP) of plant cover and variable rainfall deficits in the Mediterranean region, leading to increased pressure on water resources, particularly through agriculture. It is therefore necessary to develop agricultural systems that are more water-efficient and able to withstand water deficits.

Understanding and acting on the rhizospheric environment, in which bio-physical interactions and feedbacks occur between plants, microbial communities and the soil, is a recent and open avenue for maintaining crop productivity in the context of water deficit.

 Our work is therefore focused on:

-Responses (resistance, resilience) of microbial communities and their catabolic functions to hydric and thermal stresses.

-The temporal evolution of soil water properties (modification of pore size distribution), under the action of roots (root architecture and growth/root senescence) and the rhizosphere (dynamics of production/degradation/retention of exopolymeric substances EPS)

 We develop:

-Experiments at different scales (bioassays, microcosms, rhizotrons, columns, agricultural plots, etc.) in different agrosystem contexts (cereal crops, vegetable crops, agroforestry, etc.).

-Modelling, model coupling and model inversion approaches to represent the soil-rhizosphere-root system from the angles of hydrophysics, associated physico-chemistry and biology; from the scale of the root segment to the plant population.

Mosaique de photos illustrant l'axe 2 de Swift
Mosaique de photos représentant l'axe2

Date de modification : 21 juin 2023 | Date de création : 15 juin 2020 | Rédaction : A. Bérard, C.Doussan