Soutenance de thèse de ALEKSIEIENKO Ivan
Titre de thèse
Solutions fondées sur la Naturepour améliorer l'établissement des semis d'arbres dans le cadre du changement climatique : interactions plante-microorganismes
Nature-based solutions to improve tree seedling establishment under climate change: plant-microbe interactions
Résumé de la thèse
L'augmentation des émissions de gaz à effet de serre intensifie le réchauffement climatique et les événements extrêmes, poussant les écosystèmes forestiers au-delà de leurs limites de résilience. En France, la mortalité des jeunes arbres a augmenté de 50% depuis 2016, compromettant la reforestation. Face à ce défi, cette thèse explore comment les microorganismes du sol peuvent renforcer la résistance des forêts méditerranéennes à la sécheresse.
Le travail s'appuie sur un dispositif expérimental unique installé à l'Observatoire du Chêne de l'Observatoire de Haute-Provence (O3HP), une toiture de 300 m2 placée au dessus de la canopée d'une chênaie pubescente pour réduire les précipitations de 30%, recréant les conditions climatiques prévues pour 2050. Cet outil permet d'étudier in situ l'évolution des interactions arbre-environnement sous contrainte hydrique et de développer des solutions fondées sur la nature pour la gestion forestière.
Le long du gradient écologique de l'O3HP, l'analyse par métabarcoding 16S a révélé une stratégie microbienne remarquable à deux niveaux. D'une part, les racines constituent des "refuges" stables préservant la diversité microbienne ; d'autre part, la rhizosphère forme une "sentinelle" dynamique dont la volatilité signale précocement le stress hydrique. Cette découverte, enrichie par l'identification de taxons spécialisés comme Kribella et Paraconexibacter algicola, offre de nouveaux biomarqueurs pour la surveillance forestière.
Des expériences parallèles en serre sur le pin d'Alep ont révélé un impact majeur sur la physiologie de Pinus halepensis, notamment un découplage entre la conductance stomatique et l'assimilation nette du CO2. À ce phénomène s'ajoute une réallocation potentielle des ressources vers le souterrain suite à une modification de la dominance apicale et donc de l'équilibre hormonal et du développement du système racinaire, avec des répercussions sur le microbiome racinaire. La sécheresse induit des phénotypes différenciés étroitement liés à la composition du microbiome.
Ces connaissances mécanistiques ont guidé le développement de communautés synthétiques (SynComs) adaptées. Après isolement et caractérisation de souches résistantes à la sécheresse, leur assemblage a été optimisé selon les traits végétaux cibles. Les résultats montrent que l'efficacité microbienne dépend étroitement de la compatibilité avec les caractéristiques végétales : la SynCom B (productrice d'exopolysaccharides) améliore la résilience de Q. pubescens de 47 %, tandis que la SynCom F (productrice d'hormones) réduit les symptômes de sécheresse de S. domestica de 71 %. Ces communautés synthétiques surpassent systématiquement les inoculations mono-souches.
En parallèle, l'arrosage du sol avec de l'acide abscissique libre ou nano-encapsulé a davantage protégé Q. pubescens contre les sympomes de sechersse, montrant aussi que l'efficacité de la solution depend de la chimie du vecteur.
Cette thèse établit ainsi un continuum depuis l'élucidation des mécanismes d'assemblage et de résilience des communautés microbiennes jusqu'au développement de solutions opérationnelles fondées sur les processus écologiques. L'approche intégrative combinant métabarcoding, analyses écophysiologiques et modélisation prédictive génère un cadre méthodologique pour l'ingénierie écologique des systèmes forestiers méditerranéens. Dans un contexte d'intensification des stress hydriques et d'augmentation de la mortalité forestière, l'exploitation raisonnée du potentiel adaptatif du microbiome représente une voie prometteuse pour renforcer la stabilité des écosystèmes forestiers méditerranéens et garantir leur pérennité fonctionnelle.
Thesis resume
Rising anthropogenic greenhouse-gas emissions are accelerating global warming and amplifying droughts, heat waves and storms, pushing many ecosystems—especially forests—toward their resilience limits. In France, mortality of young trees has risen by roughly 50 % since 2016, undermining reforestation.
To foresee how today's forests will fare, this work uses the Oak Observatory at the Observatoire de Haute-Provence (O3HP), a downy-oak stand where rainfall-exclusion roofs cut precipitation by ~30 %, recreating mid-century Mediterranean dryness. With zones under amplified or natural drought, O3HP serves as a living time machine for tree-microbiome studies.
Within this setting the thesis explores how plant-associated microbes bolster seedling drought tolerance and turns that insight into nature-based tools. Nature-based solutions strategically manage or restore ecosystems while co-delivering ecological and social benefits.
Across the O3HP gradient, 16S metabarcoding revealed a dual-strategy model: roots act as low-turnover “refugia” preserving diversity, whereas the rhizosphere forms a high-volatility “sentinel” that flags stress early. Volatility thus becomes an early-warning biomarker. This coordinated bet-hedging, plus detection of drought-specialist taxa such as Kribella, Gemmatimonadaceae AG11 and Paraconexibacter algicola, expands microbial indicators for Mediterranean forests.
Parallel greenhouse work on Aleppo pine showed that has a substantial impact on the Pinus halepensis physiology, and caused stomatal conductance and net CO2 assimilation uncoupling, with an impact on re-allocation of belowground resources as a consequence of a change in apical dominance, with further impact on the root associated microbiome. Drought induced differential phenotype development, which we found to be closely associated with microbiome composition. Microbiome assembly mechanisms revealed treatment-phenome interactions, showing differential responses between fungi and bacteria: fungi exhibited more stochastic assembly patterns, while bacteria displayed more deterministic assembly mechanisms alongside drought-induced plant phenotypes.
Guided by these mechanisms, we tested microbial inoculation as a defence line. we isolated and biochemically characterised drought resistant strains from functionally distinct niches—across soil depths and root-associated compartments. The most performant isolates were then tested for their compatibility as a part of synthetic community (SynComs), with subsequent greenhouse trials of their efficiency in Quercus pubescencs and Sorbus domestica protection from drought. We discovered, that microbial performance was highly dependent on alignment with plant traits: EPS-producing SynCom B improved drought resilience by 47% in Q. pubescens, while hormone-producing SynCom F reduced drought symptoms by 71% in S. domestica. These SynComs consistently outperformed single-strain inoculations. Predictive modelling further identified bacterial identity and symptom onset timing as key predictors of drought mitigation, with stem diameter growth serving as a robust physiological indicator.
The same evidence prompted a complementary tactic: soil drenching with free or nano-encapsulated abscisic acid further protected Q. pubescens, with efficacy depending on carrier chemistry.
In sum, the O3HP platform enabled a progression from in-situ discovery—refugia and sentinel strategies—to tailored SynComs and precision carriers of ABA. Coupling field diagnostics with greenhouse tests and mechanistic ecology, the thesis delivers a proof-of-concept pipeline for climate-smart forest restoration, equipping Mediterranean woodlands for a drying world.