Offre de thèse – Plasticité de l’allocation des ressources aux différents organes le long de gradients de pollution : une réponse allocative optimale ? (OT104)

Le fonctionnement des communautés végétales est très contrasté entre des milieux productifs et fertiles, et des milieux stressants et peu productifs 1–3. Il est attendu que la productivité végétale baisse en cas d’exposition à des polluants pour plusieurs raisons. D’abord, l’exposition des plantes à divers polluants présents dans les sols peut impacter le développement et le fonctionnement du système racinaire 4. De manière indirecte, la pollution du sol module la composition et le fonctionnement des communautés microbiennes, ce qui pourrait réduire le recyclage de la matière organique et la fertilité du milieu 5. Enfin, des plantes adaptées et moins impactées par l’exposition à un polluant ont des mécanismes physiologiques particuliers (transport, stockage et détoxification des polluants). Cette adaptation a un coût en ressources et énergie, coût qui pourrait impliquer une diminution de la croissance 6. Les similitudes possibles entre les réponses attendues en cas de baisse de la productivité, et en cas d’exposition à des polluants, offrent un point de départ intéressant pour placer les systèmes pollués dans un cadre d’écologie plus général.

Le long d’un gradient de productivité, au niveau intra-spécifique, l’Optimal Partitionning Theory (OPT) 7,8 indique que les ressources disponibles sont allouées en priorité aux organes responsables de l’acquisition des ressources les plus limitantes. Un mécanisme bien connu est par exemple la plasticité du root : shoot ratio (rapport entre la biomasse racinaire et biomasse aérienne) qui augmente lorsque les ressources du sol (eau ou nutriments) sont les plus limitantes. L’observation d’une possible augmentation de l’allocation des ressources au système racinaire, en lien avec la réduction de l’accès aux ressources du sol, et sur un certains nombres d’espèces modèles, offre une approche expérimentale simple pour identifier des similarités de réponses entre les gradients de pollution et les gradients de productivité classiquement étudiés en écologie.

Des études préliminaires au sein de l’EA 4592 G&E sur une variété sensible d’une dicotylédone (Phaseolus vulgaris) confirment une augmentation de l’allocation aux racines sur sol pollués (au cuivre et HAPs) en réponse à une perturbation de l’accès à l’eau et à l’azote. Cette thèse s’inscrit dans la poursuite de ces travaux. L’objectif est de tester pour plusieurs espèces modèles (graminées, dicotylédones, espèces ligneuses), si les réponses allocatives le long de gradients de pollution sont cohérent avec l’OPT et la diminution de l’accès à certaines ressources. Ce cadre conceptuel sera testé en comparant pour chaque espèce les réponses de populations sensibles et de populations tolérantes déjà identifiées. L’hypothèse proposée est double :

• Pour les populations sensibles, il existerait une réponse allocative en faveur du système racinaire, en lien avec la diminution de l’accès aux ressources du sol.
• Pour les populations adaptées, la réponse allocative serait moins nécessaire, car les organes de capture des ressources resteraient fonctionnels. Sur sol non pollué, ces populations adaptées auraient une croissance réduite par rapport aux populations n’ayant pas de mécanismes adaptatifs particuliers.

Le système d’étude proposé est basé essentiellement sur un site contaminé où la pollution au cuivre et aux HAPs a déjà été étudiée 9,10. Les espèces végétales cibles comprennent en priorité plusieurs populations d’Agrostis capillaris (graminée) et de Populus nigra (espèce ligneuse) dont des populations, adaptées ou non aux polluants précités, ont été identifiées. La possibilité d’élargir le système d’étude à des populations métallophytes se développant sur sol calaminaire, et non metallophytes, de Noccaea caerulescens et Silene vulgaris subsp. humilis sera abordée. L’OPT sera testée au regard des hypothèses décrites ci-dessus par :

• La constitution de gradients de pollution par fading (mélange en différentes proportions de sols pollués et de sols non pollués prélevés à proximité).
• La culture des populations des différentes espèces en milieu contrôlé sur les sols issus du fading.
• La mesure de l’acquisition des ressources par les plantes (eau transpirée, teneurs en nutriments dans les tissus, teneurs en chlorophylle et activité photosynthétique)
• Des mesures complémentaires liées à l’impact des contaminants (ionomes et marqueurs biochimiques)
• L’observation de l’allocation (en biomasse) aux différents organes et des surfaces d’acquisition des ressources correspondantes.

Impacts et retombées sociétales :

En Europe, des activités polluantes ont été exercées sur près de 3 millions de sites dont 250 000 nécessiteraient des actions de réhabilitation urgentes 11. L’étude de l’effet de ces polluants sur différentes espèces végétales modèles permet de mieux caractériser leurs impacts sur les plantes exposées, pour identifier et expliciter les stratégies d’adaptation. Celles-ci sont utiles pour mener des projets de réhabilitation utilisant la végétation et microorganismes associés pour diminuer les liens de pollution sur sites aux sols contaminés et rétablir leur fonctionnalité écologique. Cependant, l’effet des contaminants sur les espèces végétales est complexe et peut varier d’un site pollué à l’autre 12. Cela complique la mise en place des méthodes de réhabilitation, et l’efficacité de certaines phyto-technologies est parfois limitée13.

Malgré la complexité de l’effet des polluants, cette thèse contribue à identifier des règles générales applicables à de nombreux systèmes pollués. Si l’adaptation à l’exposition à divers contaminants présente des similarités avec les réponses le long des gradients de productivité, les applications pour la gestion des sites pollués pourraient être nombreuses. En particulier, l’utilisation d’espèces ou d’association d’espèces adaptées aux milieux les moins productifs pourraient être testée sur des sites où la pollution a des impacts importants et où d’autres méthodes de réhabilitation ont échoué.

Encadrement :

Cette thèse sera encadrée au sein de l’EA 4592 par Oliver Atteia (Directeur de thèse) et Florian Delerue (Co-directeur de thèse). Une collaboration forte est attendue avec Michel Mench de l’UMR BioGeCo.

Contact : Florian DELERUE ; fdelerue@ensegid.fr; +33 (5) 56 84 69 18

Références :

1. Díaz, S. et al. The global spectrum of plant form and function. Nature 529, 167–171 (2016).
2. Brooker, R. W. et al. Facilitation in plant communities: the past, the present, and the future. J. Ecol. 96, 18–34 (2008).
3. Delerue, F., Gonzalez, M., Achat, D. L., Puzos, L. & Augusto, L. Competition along productivity gradients: news from heathlands. Oecologia 187, 219–231 (2018).
4. Potters, G., Pasternak, T. P., Guisez, Y., Palme, K. J. & Jansen, M. A. K. Stress-induced morphogenic responses: growing out of trouble? Trends Plant Sci. 12, 98–105 (2007).
5. Kandeler, F., Kampichler, C. & Horak, O. Influence of heavy metals on the functional diversity of soil microbial communities. Biol. Fertil. Soils 23, 299–306 (1996).
6. Maestri, E., Marmiroli, M., Visioli, G. & Marmiroli, N. Metal tolerance and hyperaccumulation: Costs and trade-offs between traits and environment. Environ. Exp. Bot. 68, 1–13 (2010).
7. Gedroc, J. J., McConnaughay, K. D. M. & Coleman, J. S. Plasticity in Root/Shoot Partitioning: Optimal, Ontogenetic, or Both? Funct. Ecol. 10, 44–50 (1996).
8. Poorter, H. et al. Biomass allocation to leaves, stems and roots: meta-analyses of interspecific variation and environmental control. New Phytol. 193, 30–50 (2012).
9. Bes, C. M., Mench, M., Aulen, M., Gaste, H. & Taberly, J. Spatial variation of plant communities and shoot Cu concentrations of plant species at a timber treatment site. Plant Soil 330, 267–280 (2010).
10. Jones, S. et al. Biochar and compost amendments enhance copper immobilisation and support plant growth in contaminated soils. J. Environ. Manage. 171, 101–112 (2016).
11. Antoni, V. Basol: un panorama des sites et sols pollués, ou potentiellement pollués, nécessitant une action des pouvoirs publics. (2013).
12. Delerue, F., Masfaraud, J.-F., Lascourrèges, J.-F. & Atteia, O. A multi-site approach to investigate the role of toxicity and confounding factors on plant bioassay results. Chemosphere 219, 482–492 (2019).
13. Mench, M. et al. Successes and limitations of phytotechnologies at field scale: outcomes, assessment and outlook from COST Action 859. J. Soils Sediments 10, 1039–1070 (2010).

Le descriptif de l’offre est disponible ici.