Janvier, Céline (2007) Recherche d'indicateurs de la santé des sols. PhD thesis Sciences du sol, Unité Mixte de Recherche INRA/Université de Bourgogne, INAPG 2007AGPT0014 p.151.

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Abstract

Soil is a finite and dynamic living resource. Soil health arises from multiple interactions

between physicochemical and biological components, including microbial communities, of

primary importance for soil functioning. Cultural practices have a strong influence on soil

health, through both changes of physicochemical characteristics and influence on soil

microbial communities. Cultural practices are thus more and more used for crop protection. In

order to measure soil health and to propose cultural practices to improve it, it is necessary to

define indicators of soil health. The aim of this study is to propose indicators of soil health,

through the evaluation of the impact of two cultural practices (amendment with composted

cattle manure amendment and biofumigation) on physicochemical and biological

characteristics of the soil, in relation with the phytosanitary quality of a carrot crop.

Multivariate analyses, associated with co-inertia analyses, revealed that some descriptors of

the soil could be considered as potential indicators of soil health. In particular, these

descriptors are associated with biofumigation, which enhance the soil suppressiveness to

Rhizoctonia solani diseases. A population of Aspergillus fumigatus has also been showed to

be preferentially associated with biofumigated soils. After this study, it is possible to propose

descriptors which could be integrated in a minimum data set of indicators of soil health. This

study could be continued by the confirmation of the interest of these descriptors, the

construction of an indicator, and its validation.

Table of content

TABLE DES MATIERES ____________________________________________________ 8

INTRODUCTION GENERALE ______________________________________________ 12

I / Santé des sols et indicateurs __________________________________________________ 12

II / Protection des cultures ______________________________________________________ 14

III / Modèle expérimental : la carotte _____________________________________________ 15

IV / Objectifs _________________________________________________________________ 18

SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ___________________________________________ 21

I / La santé des sols vue sous l'angle de la résistance aux maladies : quelle stratégie pour

passer des descripteurs aux indicateurs? __________________________________________ 21

I.1 / Introduction ____________________________________________________________________ 21

I. 2 / Concepts ______________________________________________________________________ 23

I.2.1 / Soil quality and soil health _____________________________________________________ 23

I.2.2 / Soil suppressiveness__________________________________________________________ 23

I.2.3 / Cultural practices used to improve soil health ______________________________________ 24

I.2.3.1 / Rotations_______________________________________________________________ 24

I.2.3.2 / Tillage_________________________________________________________________ 24

I.2.3.3 / Organic amendments _____________________________________________________ 25

I.3 / Soil parameters measured in relation with disease suppression _____________________________ 27

I.3.1 / Abiotic parameters ___________________________________________________________ 27

I.3.2 / Quantitative microbial parameters _______________________________________________ 31

I.3.2.1 / Colony forming units plate counts ___________________________________________ 31

I.3.2.2 / Microbial biomass _______________________________________________________ 33

I.3.3 / Diversity and structure of microbial communities ___________________________________ 34

I.3.4 / Microbial activity ____________________________________________________________ 36

I.4 / Strategy for identification of soil health indicators ______________________________________ 37

I.4.1 / Data analyses _______________________________________________________________ 38

I.4.2 / Strategy for identification of indicators ___________________________________________ 39

I.4.3 / Sampling strategy____________________________________________________________ 40

I.4.4 / Validation of indicators _______________________________________________________ 42

I.5 / Conclusion _____________________________________________________________________ 44

II / Deux pratiques culturales utilisées en protection des cultures : amendements organiques et

biodésinfection________________________________________________________________ 44

II.1 / Les amendements organiques ______________________________________________________ 44

II.1.1 / Qu'est-ce qu'un amendement organique? _________________________________________ 44

II.1.2 / Amendements organiques et protection des cultures ________________________________ 46

II.1.2.1 / Le pathosystème ________________________________________________________ 46

II.1.2.2 / La composition et le stade d'évolution de l'amendement__________________________ 47

II.1.2.3 / La quantité d'amendement apportée _________________________________________ 47

II.2 / La solarisation__________________________________________________________________ 48

II.3 / La biodésinfection_______________________________________________________________ 49

II.3.1 / Définitions_________________________________________________________________ 49

II.3.2 / L'utilisation des Brassicacées __________________________________________________ 50

II.3.3 / Autres méthodes de biodésinfection _____________________________________________ 52

II.4 / Conclusion ____________________________________________________________________ 53

VARIABILITE SPATIO-TEMPORELLE DES DESCRIPTEURS DU SOL DANS UNE

PARCELLE EXPERIMENTALE ET EFFETS D'UN APPORT D'AMENDEMENT

ORGANIQUE ET D'UNE BIODESINFECTION

MATERIELS ET METHODES ______________________________________________ 55

I / Parcelle expérimentale et prélèvements _________________________________________ 55

I.1 / Localisation ____________________________________________________________________ 55

9

I.2 / Traitements et conduite de la parcelle ________________________________________________ 55

I.3 / Prélèvements ___________________________________________________________________ 57

I.4 / Suivi de la biodésinfection _________________________________________________________ 57

II / Caractéristiques abiotiques __________________________________________________ 59

II.1 / Granulométrie et densité apparente__________________________________________________ 59

II.2 / Analyses physico-chimiques_______________________________________________________ 59

III / Caractéristiques biotiques __________________________________________________ 59

III.1 / Analyses quantitatives ___________________________________________________________ 59

III.1.1 / Biomasse microbienne_______________________________________________________ 60

III.1.2 / Densités de bactéries et champignons ___________________________________________ 60

III.1.3 / Densités de nématodes_______________________________________________________ 60

III.1.4 / Activité microbienne ________________________________________________________ 61

III.2 / Analyses qualitatives : structure des communautés microbiennes _________________________ 61

III.2.1 / Extraction de l'ADN du sol ___________________________________________________ 62

III.2.2 / Amplification d'ADNr par PCR________________________________________________ 62

III.2.3 / Analyse T-RFLP ___________________________________________________________ 63

III.2.4 / Traitement des données de T-RFLP ____________________________________________ 63

IV / Caractéristiques phytosanitaires _____________________________________________ 64

IV.1 / Notations de la récolte de carottes dans la parcelle expérimentale _________________________ 64

IV.2.1 / Mise en place des essais _____________________________________________________ 64

IV.2.2 / Préparation des inoculum et mélanges sol/inoculum________________________________ 66

V / Analyse des données ________________________________________________________ 66

V.1 / Analyses de variance ____________________________________________________________ 66

V.2 / Préparation des tableaux de données ________________________________________________ 66

V.3 / Analyses en composantes principales________________________________________________ 67

V.4 / Représentation spatiale des résultats_________________________________________________ 67

VARIABILITE SPATIO-TEMPORELLE DES DESCRIPTEURS DU SOL DANS UNE

PARCELLE EXPERIMENTALE ET EFFETS D'UN APPORT D'AMENDEMENT

ORGANIQUE ET D'UNE BIODESINFECTION

RESULTATS ET DISCUSSIONS_____________________________________________ 69

I / Caractéristiques abiotiques : résultats et discussion_______________________________ 69

I.1 / Granulométrie et densité apparente __________________________________________________ 69

I.2 / Caractéristiques chimiques_________________________________________________________ 69

I.3 / Suivi du sol pendant la biodésinfection _______________________________________________ 71

I.4 / Discussion _____________________________________________________________________ 72

II / Caractéristiques biotiques ___________________________________________________ 73

II.1 / Analyses quantitatives ___________________________________________________________ 73

II.1.1 / Biomasse microbienne _______________________________________________________ 73

II.1.2 / Densités de microorganismes __________________________________________________ 74

II.1.3 / Densités de nématodes _______________________________________________________ 74

II.1.4 / Activité microbienne_________________________________________________________ 75

II.1.5 / Analyses quantitatives : discussion______________________________________________ 75

II.2 / Analyse qualitative : diversité des communautés de nematodes____________________________ 78

II.2.1 / Résultats __________________________________________________________________ 78

II.2.2 / Discussion_________________________________________________________________ 79

II.3 / Structure des communautés microbiennes ____________________________________________ 80

II.3.1 / Extraction d'ADN, PCR et T-RFLP sur communautés totales _________________________ 80

II.3.2 / Structure des communautés bactériennes : analyse de T-RFLP 16S_____________________ 80

II.3.3 / Structure des communautés fongiques : analyse de T-RFLP 18S_______________________ 81

II.3.4 / Structure des communautés microbiennes : discussion_______________________________ 82

II.3.4.1 / Structure des communautés bactériennes _____________________________________ 82

II.3.4.2 / Structure des communautés fongiques _______________________________________ 83

II.3.4.3 / Structure des communautés bactériennes et fongiques : premier bilan _______________ 84

II.3.5 / Structure moléculaire des communautés microbiennes : discussion méthodologique _______ 85

10

III / Caractéristiques phytosanitaires _____________________________________________ 87

III.1 / Notations à la récolte____________________________________________________________ 87

III.2 / Essais biologiques de réceptivité des sols aux fontes de semis dues à Rhizoctonia solani _______ 88

III.3 / Analyse en composantes principales de l'ensemble des données biologiques_________________ 88

III.4 / Discussion ____________________________________________________________________ 90

IV / Discussion générale ________________________________________________________ 91

IV.1 / Variabilité spatio-temporelle des caractéristiques abiotiques et biotiques ___________________ 91

IV.2 / Effet des amendements organiques sur les caractéristiques abiotiques et biotiques ____________ 93

IV.2.1 / Absence d'effet de l'apport de fumier composté dans notre étude ______________________ 93

IV.2.2 / Amendements organiques et maladies___________________________________________ 94

IV.2.3 / Amendements organiques et caractéristiques microbiologiques _______________________ 95

IV.3 / Effet de la biodésinfection sur les caractéristiques abiotiques et biotiques ___________________ 97

IV.3.1 / Modifications quantitatives des caractéristiques biotiques ___________________________ 97

IV.3.2 / Modification des structure de communautés ______________________________________ 99

IV.4 / Conclusion___________________________________________________________________ 101

RECHERCHE D'INDICATEURS DE LA SANTE DES SOLS ____________________ 103

I / Introduction ______________________________________________________________ 103

II / Résultats_________________________________________________________________ 103

II.1 / Co-inertie caractéristiques chimiques/structure des communautés bactériennes ______________ 103

II.2 / Co-inertie caractéristiques chimiques/structure des communautés fongiques ________________ 105

II.3 / Co-inertie structure des communautés de nématodes/caractéristiques chimiques _____________ 106

II.3.1 / Données de 2004___________________________________________________________ 106

II.3.2 / Données de 2005___________________________________________________________ 107

II.4 / Co-inertie caractéristiques biologiques/caractéristiques chimiques ________________________ 108

II.4.1 / Données de T1 et T2 en 2004 _________________________________________________ 108

II.4.2 / Données de 2005___________________________________________________________ 109

II.5 / Co-inertie caractéristiques biologique/structure des communautés de nématodes _____________ 110

III / Discussion_______________________________________________________________ 111

IDENTIFICATION D'UNE POPULATION FONGIQUE PREFERENTIELLEMENT

ASSOCIEE AU SOL BIODESINFECTE______________________________________ 116

I / Introduction ______________________________________________________________ 116

II / Matériels et méthodes______________________________________________________ 116

II.1 / Isolements____________________________________________________________________ 116

II.2 / Purification des isolats sous forme de monospores_____________________________________ 117

II.3 / Extraction d'ADN d'isolat fongique ________________________________________________ 117

II.4 / Identification moléculaire des isolats fongiques_______________________________________ 117

II.4.1 / PCR ITS1-ITS4____________________________________________________________ 117

II.4.2 / Clonage et séquençage ______________________________________________________ 118

III / Résultats ________________________________________________________________ 120

III.1 / Récupération et identification morphologique des isolats fongiques ______________________ 120

III.2 / Identification moléculaire par clonage-séquençage du fragment de PCR ITS1-ITS4 __________ 120

III.3 / PCR 18S et T-RFLP sur ADN d'isolats fongiques ____________________________________ 121

IV / Discussion _______________________________________________________________ 121

IV.1 / Discussion méthodologique _____________________________________________________ 121

IV.2 / Discussion biologique __________________________________________________________ 123

DISCUSSION GENERALE ________________________________________________ 126

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ______________________________________ 132

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