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Aragno, Michel

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Aragno, Michel
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Michel.Aragno@unine.ch
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https://libra.unine.ch/handle/123456789/753

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    Spatio-temporal dynamics of bacterial communities associated with two plant species differing in organic acid secretion: A one-year microcosm study on lupin and wheat
    (2008)
    Weisskopf, Laure
    ;
    Le Bayon, Renée-Claire 
    ;
    Kohler, Florian
    ;
    Page, Valérie
    ;
    Jossi, Maryline
    ;
    Gobat, Jean-Michel 
    ;
    Martinoia, Enrico
    ;
    Aragno, Michel 
    Plants are generally assumed to influence the surrounding soil microflora through rhizodeposition. However, the role of rhizodeposits, and especially organic acids, in structuring the bacterial communities is still poorly understood. In this study, we asked the question whether plants differing in organic acid secretion have a different impact on the soil bacterial communities, and if this is the case, to which extent this impact is due to different organic acid concentrations in the rhizosphere. To investigate this question, we compared white lupin and wheat. The former is a high organic acid-secreting species, while the latter secretes only low amounts of carboxylates. We grew the plants in large microcosms including root-free control compartments for one year (replanted every second month) and analyzed the spatio-temporal changes in soil ATP concentrations, as well as in diversity and structure of bacterial communities (using DNA- and RNA-based DGGE) along a root-soil gradient after two, six and twelve month's cultivation. Our results showed: i) that white lupin and wheat differed in their impact on soil ATP concentrations and on the structure of root bacterial communities; ii) that cultivation time was a key factor in explaining the observed differences in all the parameters studied; and iii) that the amounts of organic acids accounted for a significant proportion (15%) of the variability within root active communities. These results indicate that plants influence their associated bacterial communities in a species-specific way and that for communities living in the direct vicinity of roots (rhizoplane-endorhizosphere), a significant part of this influence can be attributed to root-secreted organic acids.
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    White lupin has developed a complex strategy to limit microbial degradation of secreted citrate required for phosphate acquisition
    (2006)
    Weisskopf, Laure
    ;
    Abou-Mansour, Eliane
    ;
    Fromin, Nathalie
    ;
    Tomasi, Nicola
    ;
    Santelia, Diana
    ;
    Edelkott, Iris
    ;
    Neumann, Günter
    ;
    Aragno, Michel 
    ;
    Tabacchi, Raffaele 
    ;
    Martinoia, Enrico
    White lupins (Lupinus albus L.) respond to phosphate deficiency by producing special root structures called cluster roots. These cluster roots secrete large amounts of carboxylates into the rhizosphere, mostly citrate and malate, which act as phosphate solubilizers and enable the plant to grow in soils with sparingly available phosphate. The success and efficiency of such a P-acquisition strategy strongly depends on the persistence and stability of the carboxylates in the soil, a parameter that is influenced to a large extent by biodegradation through rhizosphere bacteria and fungi. In this study, we show that white lupin roots use several mechanisms to reduce microbial growth. The abundance of bacteria associated with cluster roots was decreased at the mature state of the cluster roots, where a burst of organic acid excretion and a drastic pH decrease is observed. Excretion of phenolic compounds, mainly isoflavonoids, induced fungal sporulation, indicating that vegetative growth, and thus potential citrate consumption, is reduced. In addition, the activity of two antifungal cell wall-degrading enzymes, chitinase and glucanase, were highest at the stage preceding the citrate excretion. Therefore, our results suggest that white lupin has developed a complex strategy to reduce microbial degradation of the phosphate-solubilizing agents.
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    Secretion activity of white lupin’s cluster roots influences bacterial abundance, function and community structure
    (2005)
    Weisskopf, Laure
    ;
    Fromin, Nathalie
    ;
    Tomasi, Nicola
    ;
    Aragno, Michel 
    ;
    Martinoia, Enrico
    White lupin (Lupinus albus L. cv. Amiga) reacts to phosphate deficiency by producing cluster roots which exude large amounts of organic acids. The detailed knowledge of the excretion physiology of the different root parts makes it a good model plant to study plant-bacteria interaction. Since the effect of the organic acid exudation by cluster roots on the rhizosphere microflora is still poorly understood, we investigated the abundance, diversity and functions of bacteria associated with the cluster roots of white lupin, with special emphasis on the influence of root proximity (comparing root, rhizosphere soil and bulk soil fractions) and cluster root growth stages, which are characterized by different excretion activities. Plants were grown for five weeks in microcosms, in the presence of low phosphate concentrations, on acidic sand inoculated with a soil suspension from a lupin field. Plate counts showed that bacterial abundance decreased at the stage where the cluster root excretes high amounts of citrate and protons. In vitro tests on isolates showed that the frequencies of auxin producers were highest in juvenile and mature cluster roots and significantly decreased in senescent cluster roots. However, no significant difference in the frequency of auxin producers was found between cluster and non cluster roots. The diversity and structure of bacterial communities were investigated by DGGE of 16S rDNA and 16S rRNA. The diversity and community structure were mostly influenced by root proximity and, to a lesser extent, by cluster root stage. The richness of bacterial communities decreased with root proximity, whereas the proportion of active populations increased. The high citrate and proton excretion occurring at the mature stage of cluster roots had a strong impact on the structure and richness of the bacterial communities, both in the root and in the rhizosphere soil.
  • Publication
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    How white lupin can survive in soils with sparingly available phosphate: cluster root secretion physiology and plant microbe interactions
    (2005)
    Weisskopf, Laure
    ;
    Martinoia, Enrico
    ;
    Aragno, Michel 
    Au cours de l'évolution, les plantes ont développé différentes stratégies pour survivre sur les sols où le phosphate est peu disponible. L'une d'entre elles est la formation de structures racinaires particulières, que l'on appelle racines protéoïdes ou " cluster roots ". Presque toutes les plantes de la famille australienne des Protéacées développent ces racines, alors qu'on les observe seulement à titre d'exception chez les autres espèces. Le lupin blanc, Lupinus albus L., notre plante modèle, est une telle exception. Cette légumineuse annuelle est la seule espèce d'importance agronomique qui forme des racines protéoïdes. Les racines protéoïdes du lupin blanc sécrètent de grandes quantités d'acides organiques, surtout du citrate et du malate, et provoquent simultanément une acidification de la rhizosphère. Cette sécrétion et acidification se déroulent à un stade bien particulier du développement des racines protéoïdes, le stade " mature ". Dans le travail qui suit, nous avons étudié la sécrétion racinaire à différents stades de développement des racines protéoïdes du lupin blanc ainsi que l'influence de cette sécrétion racinaire sur la microflore rhizosphérique. Nous avons caractérisé les isoflavonoïdes produits et excrétés dans les racines protéoïdes en croissance. Les isoflavonoïdes les plus importants étaient la génistéine et l'hydroxygénistéine, ainsi que leurs conjugués glycosylés. Alors qu'aucun changement n'a pu être observé dans les contenus internes d'isoflavonoïdes durant le développement des racines protéoïdes, la sécrétion de ces composés, elle, variait en fonction du stade de développement, avec la plus forte sécrétion dans les jeunes racines et les racines prématures. Une modification importante de cette sécrétion d'isoflavonoïdes par les jeunes pousses de lupins a été observée lorsque les graines avaient germé en présence de bactéries ou de champignons. Cette réaction à la présence de micro-organismes lors de la germination était spécifique à la souche de bactérie ou de champignon utilisée. Nous avons également investigué l'impact de la sécrétion des racines protéoïdes du lupin sur les communautés microbiennes de la rhizosphère. Nos résultats ont montré que les communautés bactériennes étaient influencées par l'activité de sécrétion des racines protéoïdes : le stade mature des racines protéoïdes était caractérisé par une plus faible abondance de bactéries (cultivables et totales), ainsi qu'une moins grande richesse (profils DGGE). Environ 50 % des populations bactériennes isolées du stade mature des racines protéoïdes était capables de pousser sur des milieux à bas pH (4), alors que seuls 20 % des populations isolées du stade juvénile pouvaient faire de même, ce qui suggère que la baisse de pH qui se produit de manière temporaire dans la rhizosphère des racines protéoïdes matures pourrait être la cause de la baisse d'abondance bactérienne observée précisément à ce stade. En revanche, aucun effet inhibiteur des isoflavonoïdes excrétés par le lupin blanc n'a pu être observé in vitro sur la croissance des bactéries. Ces isoflavonoïdes ont provoqué une réaction uniquement chez certains champignons, dont la sporulation a été stimulée. Des activités de type PGPR (plant growth promoting rhizobacteria) ont aussi été testées sur les souches isolées de la rhizosphère des racines protéoïdes du lupin blanc et les résultats ont suggéré que la production d'auxine par les bactéries pourrait être impliquée dans la formation des racines protéoïdes. De plus, la fixation associative d'azote a été analysée par des méthodes de " fingerprinting " sur la base de fragments du gène nifH amplifié à partir des ADN et des ARN extraits de différents stades des racines protéoïdes. Aucune amplification n'a été observée pour les racines protéoïdes matures, alors que l'amplification a été possible pour les juvéniles et les sénescentes à partir d'ADN et également à partir d'ARN dans un cas, ce qui laisse penser que la fixation associative d'azote pourrait avoir lieu dans la rhizosphère des racines protéoïdes, en plus de la fixation symbiotique dans les nodules, qui se forment en général sur les racines non protéoïdes. Le phosphore est un des éléments majeurs qui limitent les rendements de l'agriculture dans bien des régions du monde et le lupin blanc pourrait être une plante prometteuse à cet égard, puisqu'il est capable à la fois d'acquérir le phosphate en produisant des racines protéoïdes et de fixer l'azote en association avec des bactéries symbiotiques. A l'issue de ce travail, nous avons acquis une compréhension plus approfondie du fonctionnement des racines protéoïdes et des interactions entre la plante et les micro-organismes de la rhizosphère. Ces connaissances pourront, je l'espère, être transférées du laboratoire à la situation concrète de la culture au champ