Soutenance à venir - Le Vendredi 24 Octobre 2025 à 14h (CEST)

Arthur COUSSON  (IRD, UMR Eco&Sols)

Diversité microbienne et décomposition des matières organiques du sol : Focus sur le rôle des interactions entre espèces

Travaux dirigés par Eric Blanchart et encadrés par Laetitia Bernard

Amphithéâtre 206 - Institut Agro Montpellier, Bâtiment 9, 2 Place Pierre Viala, 34060 Montpellier, France
Meeting's ZOOM link:  https://institut-agro.zoom.us/j/91232606003?pwd=vi1PYdfVJO8GK2KE8COaEMAAsRpXGX.1

Mots-clés :     Écologie microbienne, Interactions, Sol, Fonctions Écologiques, Omics, Bioinformatique

Résumé :

Le sol, principal réservoir terrestre de carbone organique et source des nutriments nécessaires aux plantes, est essentiel à la souveraineté alimentaire mais menacé par les changements climatiques. Comprendre la dynamique de la matière organique du sol est crucial pour accroître sa proportion et améliorer le recyclage des nutriments. Or, sa décomposition reste mal comprise en raison de la diversité des décomposeurs, de l’hétérogénéité spatiale et de la variété des substrats. La respiration du sol, souvent utilisée comme indicateur de l’activité microbienne, ne permet pas de relier clairement la diversité bactérienne avec leurs fonctions. Nous soutenons que richesse, entropie ou composition seules sont insuffisantes: les bactéries interagissent au sein de micro-communautés localisées. Intégrer ces interactions est donc essentiel pour mieux décrire la dynamique du carbone dans les sols.

Pour relever ces défis, nous nous appuyons sur deux projets en cours basés sur Ferralsols malgaches peu fertiles. Un essai de restauration des fonctions du sol dans les hautes terres de la région d'Itasy et une expérience réductionniste de vieillissement de turricules de vers de terre nous ont permis d’étudier les interactions bactériennes à deux échelles complémentaires afin de comprendre les mécanismes de décomposition de la matière organique dans le sol. Les progrès dans les approches de séquençage de molécules uniques permettent d’émanciper l’analyse moléculaire des biais techniques liés aux technologies de séquençage précédentes, mais ces méthodes sont beaucoup plus sensibles à la pureté de l’ADN séquencé. Nous avons donc optimisé l’extraction et la purification de l’ADN extrait à partir du sol, développé un logiciel open source pour traiter ces données novatrices, ce qui a permis d’aborder les interactions bactériennes avec des approches de pointe. Nous avons identifié l’existence d’un gradient de stratégies fonctionnelles en matière d’interactions par rapport à la décomposition de la matière organique dans le sol.

Ce gradient était caractérisé par trois stratégies archétypales: le minage, le broutage et la prédation. Les approches de co-occurrence ont permis d’identifier la capacité des bactéries mineuses à décomposer les matières végétales récalcitrantes comme étant essentielle pour les autres stratégies, ancrant nos approches dans l’écologie fonctionnelle. De plus, ces résultats ont pu être liés par la suite à l’augmentation des interactions bactériennes potentielles dans les champs expérimentaux après des amendements organiques. Les vers de terre et de certains substrats moléculaires impactaient préférentiellement les interactions bactériennes dans le cadre de la décomposition de la matière organique des sols.

Nos résultats impliquent que nous pouvons théoriquement manipuler les conditions environnementales pour orienter les interactions bactériennes vers des fonctions d’intérêt. Cette manipulation peut s’appuyer sur l’inoculation de vers de terre associée à des amendements organiques successifs de différentes qualités en fonction des besoins de la communauté bactérienne. Identifier un nouvel équilibre stable d’interactions, permettrait aux tentatives de restauration d’avoir des impacts à long terme sur les fonctions du sol, telles que le stockage du carbone et la fertilité. Par analogie avec la Terra Preta sud-américaine des ferralsols amazoniens, cela pourrait en théorie permettre de transformer les Ferralsols malgaches en une Tany voky hautement fonctionnelle.

Asbtract :

The soil is a critical actor of food production sovereignty and threatened by the global changes. It is the largest terrestrial organic carbon reservoir of the planet and the source of nutrients required for plant growth. These nutrients are mainly found in the soil organic matter, hence understanding its dynamic is critical to increase its proportion within the soil and nutrients recycling. Organic matter decomposition in soils is a complex process whose mechanistic understanding remains limited, partly due to the high diversity of decomposer communities, their spatial heterogeneity, and the variety of substrates involved. In soils, the breakdown of plant-derived organic matter depends on the coexistence and interactions of diverse microbial capacities, notably those of bacteria. The soil respiration, as an integrative the CO2 flux measure, is used as a proxy of the edaphic microbial community. However, its relationships with the bacterial diversity are elusive, we argue that richness, entropy or composition are insufficient to describe this complex process as it independently considers the members of diversity. But bacteria are never truly alone, in soil they are found in subcommunities thriving in delimited hotspots in which they interact. It therefore appears of prime importance to consider their interactions toward the decomposition of organic matter, their primary source of energy, to properly describe the dynamics of carbon in soil.

To tackle these ambitions, we rely on two ongoing projects based upon lowly fertile Malagasy Ferralsols. A soil function restoration assay in the highlands of Itasy region and a reductionist earthworm cast ageing experiment allowed us to investigate bacterial interaction at two complementary scale to unravel the mechanistic insights of organic matter decomposition in soil.

Recent progresses in single-molecule sequencing approaches allow to emancipate the molecular analysis from technical biases linked to previous sequencing technologies, but is not without caveat as these methods are much more sensitive to the input DNA purity. We therefore optimized DNA extraction and purification from soil, developed an open-source software to treat innovative data, which allowed to tackle bacterial interactions with state-of-the-art approaches. We identified the existence of a gradient of functional strategies toward interactions in the context of organic matter decomposition within soil. This gradient was characterized by three archetypal strategies: Foraging, Feeding and Killing. Co-occurrence approaches allowed to identify the capacity to decompose recalcitrant plant matter of the foragers to be critical for the other strategies, anchoring co-occurrence graphs into functional ecology. Moreover, those results could later be linked to the increase in bacterial potential interactions in the experimental fields following organic amendments. We hence identified the impact of earthworms and some of the chemical drivers of bacterial interactions toward the decomposition of organic matter in soils. 

Our results imply that we can theoretically manipulate the environmental conditions to steer the bacterial interactions toward functions of interest depending on the current and desired state. This steering can rely on the activity of earthworms inoculation coupled with successive organic matter amendments of different qualities depending on the supposed needs of the bacterial community. Identifying the determinants for the soil bacterial community to reach a new stable equilibrium of interactions could help the restoration assays to have long-term impacts on soil functions such as soil carbon storage and fertility. Analogically to the South-America Terra Preta of the amazonian Ferralsols, this could in theory allow to transform the lowly fertile savannah of the Malagasy Ferralsols into some high functioning Tany voky.

Devant le jury composé de :

M. Eric BLANCHART                  IRD                        Directeur de thèse

Mme Laetitia BERNARD            IRD                        Co-encadrante de thèse
Mme Marie-France DIGNAC      INRAe                    Rapporteure
Mme Françoise BINET               CNRS                    Rapporteure
M. Pierre-Alain MARON             INRAe                    Examinateur
M. Thomas BRüLS                     CEA                       Examinateur
Mme Claire MARSDEN              Institut Agro           Examinatrice
M. Samuel CHAFFRON             CNRS                    Examinateur
M. Ahmet Murat EREN               HIFMB                   Invité
M. Frédéric MAHE                      CIRAD                   Invité

Soutenance à venir - Le Jeudi 23 octobre 2025 à 9h (CEST)

Vitória BARBOSA FERREIRA  (CIRAD, UMR Eco&Sols)

Amphithéâtre 206 - Institut Agro Montpellier, Bâtiment 9, 2 Place Pierre Viala, 34060 Montpellier, France
Meeting's ZOOM link: https://institut-agro.zoom.us/j/94559846406?pwd=a4Ogq8yXailLvevpSrfZMCeakRiNDq.1

Resumé :

Les données à grande échelle sur les caractéristiques biophysiques de la végétation, telles que l’indice de surface foliaire (LAI), la teneur en chlorophylle a et b (Cab, µg/cm²), la masse surfacique des feuilles (LMA, g/cm²) et le contenu en eau des feuilles (EWT, g/cm²), informent sur l’état des forêts et leur capacité d’adaptation à des conditions plus chaudes, sèches et inflammables. L’observation satellitaire de la Terre, grâce à des images optiques à couverture mondiale et haute résolution temporelle, constitue l’outil privilégié pour le suivi de ces caractéristiques, via des approches empiriques ou physiques. Cette thèse évalue différentes méthodes d’estimation du LAI, du Cab, du LMA et de l’EWT à partir d’une base de données de terrain issue de plantations d’Eucalyptus au Brésil en utilisant des images satellites Sentinel-2. Le premier chapitre examine comment la structure verticale du couvert, la géométrie soleil-capteur et les traits foliaires influencent la précision des modèles empiriques basés sur les indices de végétation. Les résultats montrent qu’une moyenne pondérée donnant plus de poids au feuillage supérieur, combinée à des paramètres géométriques et à des informations génétiques, améliore nettement les estimations. Le deuxième chapitre explore l’estimation des caractéristiques biophysiques par inversion de modèles de transfert radiatif, PROSAIL et INFORM. La méthode optimise la précision en testant différents paramètres des modèles de transfert radiatif, notamment le filtrage des valeurs d’entrée de PROSAIL, l’intégration de jeux de données de réflectance du sol et la sélection des bandes spectrales utilisées. Les résultats soulignent l’intérêt de combiner sélection spectrale et connaissances contextuelles sur le sol et les caractéristiques de l’eucalyptus. Le troisième chapitre compare les performances de PROSAIL (conçu pour les cultures) et d’INFORM (conçu pour les forêts) pour ces estimations. Les principaux résultats soulignent que PROSAIL et INFORM ont produit des résultats relativement similaires pour la plupart des propriétés biophysiques à différents âges, PROSAIL allant globalement mieux dans l'estimation de la LMA et INFORM globalement mieux dans l'estimation de Cab. Cette thèse contribue à la mise en œuvre et au perfectionnement de l'application de méthodes empiriques et physiques pour l’estimation du LAI, Cab, LMA et EWT à l'échelle du couvert forestier dans les plantations d’Eucalyptus à l'aide d'images Sentinel-2. En outre, elle offre plusieurs perspectives destinées à orienter les travaux futurs, notamment une suggestion d'application de certaines des variables estimées dans un cadre de gestion des risques d'incendie.

Mots-clés : estimation des variables biophysiques, teneur en chlorophylle, modélisation empirique, épaisseur équivalente en eau, teneur en eau du combustible, INFORM, indice de surface foliaire, masse surfacique foliaire, modélisation physique, PROSAIL

Summary :

Large-scale information on vegetation biophysical characteristics, such as Leaf Area Index (LAI), leaf Chlorophyll a and b content (Cab, µg/cm²), Leaf Mass per Area (LMA, g/cm²), and Equivalent Water Thickness (EWT, g/cm²), provides essential insights into forest health and may indicate how these ecosystems adapt to increasingly warmer, drier, and more fire-prone conditions. The retrieval and monitoring of such vegetation characteristics are commonly done using Earth Observation (EO) satellites, which provide optical images with global spatial coverage and high temporal resolution. The EO methods used to estimate vegetation properties are broadly categorized as empirical and physical. The present thesis explores existing methods to retrieve LAI, Cab, LMA, and EWT using an extensive field database acquired from Eucalyptus plantations in Brazil using Sentinel-2 imagery. The first chapter provides a comprehensive overview of the dataset. It explored how vertical canopy structure, sun-sensor geometry, and foliage traits affect the accuracy of biophysical variable retrieval using empirical modeling approaches based on vegetation indices. Key results highlighted that applying a vertically weighted average emphasizing lower canopy foliage improved Cab, LMA, and EWT retrieval accuracy. Furthermore, incorporating sun-view geometry metrics and information on genotype or associated traits alongside vegetation indices enhanced model retrieval performance. Building on these findings, the second chapter focuses on advancing retrieval accuracy by systematically evaluating key components of radiative transfer model simulations. Specifically, it investigates the individual and combined effects of constraining the PROSAIL input parameter ranges, integrating different background datasets, and performing band selection techniques. The goal is to identify the optimal simulation and feature selection configurations for accurately retrieving LAI, Cab, LMA, and EWT. Our results highlight the importance of jointly considering spectral feature selection and contextual prior knowledge on background and the range and distribution of Eucalyptus characteristics in improving the robustness and accuracy of biophysical variable retrieval for forest plantations. The third chapter advances the analysis by comparing the retrieval performance, overall and by stand age, of two radiative transfer models, PROSAIL (focus on crops) and INFORM (focus on forest), in estimating key biophysical traits from Eucalyptus plantations. The main findings highlight that PROSAIL and INFORM produced relatively similar results for most biophysical properties across different ages, with PROSAIL performing overall better at estimating LMA and INFORM performing overall better at estimating Cab. This thesis contributes to implementing and refining the application of empirical and physical methods to estimate LAI, Cab, LMA, and EWT at the canopy scale in Eucalyptus plantations using Sentinel-2 images. In addition, it provides several perspectives intended to guide future work, including a suggestion of applying some of the retrieved variables in a fire risk management framework.

Keywords: Biophysical variable, Radiative Transfer Model, Model inversion, Chlorophyll content, Empirical modelling, Equivalent Water Thickness, Fuel Moisture Content, INFORM, Leaf Area Index, Leaf Mass per Area, PROSAIL

Devant le jury composé de

Brahima Silue UNA  (Côte d'Ivoire) - soutenue ce 10 octobre 2025

Stockage de carbone et fertilité des sols dans les systèmes agroforestiers à base de cacaoyers dans les zones du Centre-Ouest (Divo) et du Sud-Ouest (Soubré) de la Côte d’Ivoire.

Travaux menés sous la direction de Prof Armand Koné (UNA) et Dr. Dominique Masse (IRD, Eco&Sols), dans le cadre du projet SoCa coordonné par Lydie LARDY

La thèse a été soutenue vendredi 10 octobre et Brahima a obtenu son doctorat avec mention Très Honorable

Bravo Brahima ! 

Du 2 au 4 Octobre s’est tenue à la station de Lamto la réunion de lancement pour le deuxième quinquennat du LMI Ecologie et Développement Durable (LMI EDD-Biodiv). Une trentaine de participants en provenance du Laboratoire d’Ecologie et Développement Durable, du Centre de Recherche en Ecologie, d’Eco&Sols et de iEES-Paris ont échangé pour déterminer les priorités pour ce deuxième quinquennat, voir quels seraient les prochaines actions concrètes et esquisser des pistes de pérennisation du groupe après la fin du soutien financé du LMI par l’IRD.

Contact : Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Plus d'info sur le LMI EDD-Biodiv

Offre de post-doc Eco&Sols INRAE (2 ans) :

Modélisation de la dynamique des matières organiques du sol avec le modèle STICS 

https://jobs.inrae.fr/ot-27470

https://jobs.inrae.fr/en/ot-27470

C’est avec une profonde tristesse que nous avons appris le décès, le 11 juillet 2025, d’Alain Rocheteau, ingénieur d’études à l’IRD. Recruté en 1984 à l’ORSTOM/IRD, il a consacré sa carrière à la mise en œuvre d’outils de mesure au service de l’écophysiologie végétale, en France comme dans de nombreux pays partenaires du Sud. Son parcours illustre avec force l’engagement d’un technicien devenu ingénieur, passionné par la recherche et profondément humain.