Les activités industrielles, la production d’énergie le transport et l’urbanisation ont engendré de sérieux problèmes environnementaux qui ont des effets néfastes non seulement pour les divers écosystèmes, mais aussi pour la santé des Humains. Il existe plusieurs méthodes de réhabilitation des sites contaminés. Les méthodes dites conventionnelles consistent le plus souvent à excaver, transporter et entreposer des sols dans des sites d’enfouissements, alors que d’autres technologies utilisent des traitements physico-chimiques ou l’incinération des polluants. Les inconvénients majeur de ces méthodes en sont le coût élevé, l’émission des gaz à effet de serre et la destruction des habitats. Cependant, plusieurs technologies ont émergé ces dernières décennies. Parmi ces technologies émergentes, la phytoremédiation est une méthode prometteuse et dont l’efficacité devienne de plus en plus reconnue. La phytoremédiation consiste à utiliser des plantes et les microbes qui leurs sont associés pour dégrader, extraire ou stabiliser les polluants du sol aussi bien organiques qu’inorganiques. Parmi les microbes associés aux racines des plantes, on trouve les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) dont le rôle en phytoremédiation a été montré. Cependant, la diversité et les changements des structures des communautés de ces champignons dans des sites hautement contaminés et en association avec les populations des plantes qui poussent spontanément dans ces sites demeurent méconnues. L’objectif de mon projet de maitrise consiste à étudier la diversité et la structure des communautés des CMA dans les racines et les sols rhizosphériques de trois espèces de plantes Eleocharis elliptica, Populus tremuloides et Persicaria maculosa qui poussent spontanément dans des bassins d’une ancienne raffinerie pétro-chimique. J’ai échantillonné trois individus par espèce de plante dans trois bassins qui ont montré des concentrations différentes des polluants pétroliers. J’ai utilisé l’approche de la PCR conventionnelle, le clonage et le séquençage en ciblant le gène 18S de l’ARN ribosomique autant sur des échantillons de racines et des que sur ceux de sols rhizophériques. J’ai analysé au minimum 48 clones par échantillon. L’analyse de la diversité Beta a montré que la structure des communautés des CMA était significativement différente selon les biotopes (racines et sols rhizosphèriques) et les concentrations de contaminants pétroliers. Mes résultats ont montré que l'identité de la plante et la concentration de contaminants ont fortement influencé la structure des communautés de CMA. J’ai aussi observé qu’en plus de l’effet des facteurs biotiques et abiotiques mentionnés ci-dessus, plusieurs OTUs de CMA sont corrélés soit positivement ou négativement entre eux et aussi avec différents types de polluants d'hydrocarbures pétroliers. Cette étude a permis de comprendre les facteurs qui influencent les changements des structures des communautés des CMA et pourrait nous aider à améliorer l’efficacité de la phytoremédiation avec des plantes indigènes poussant spontanément sur des sites hautement contaminés par des hydrocarbures pétroliers. / Industrial activities, energy production, transportation, and urbanization have led to serious environmental problems that have negative effects not only for the natural ecosystems, but also for the human health. Several methods of rehabilitation of contaminated sites such as conventional methods consisting on excavation, transportation and storage of contaminated soils in landfills (known as Dig and Dump), as well as other technologies that use physical and chemical treatments or incineration of polluted soil pollutants, have been largely utilized. However, these methods are very costly and not environmental-friendly because of greenhouse gas emission and destruction of habitats. Several green technologies have emerged in recent decades. Among these emerging technologies, phytoremediation is a promising method whose effectiveness becomes increasingly recognized worldwide. Phytoremediation uses plant and their associated microbes to degrade, uptake or sequestrate organic and inorganic pollutants. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are among microbes that live intimately with plant root where they form a symbiosis known as arbuscular mycorrhiza. The objective of my master project was to study the diversity and changes of community structure of AMF in roots and rhizospheric soils of three native plant species Eleocharis elliptica, Populus tremuloides and Persicaria maculosa growing in petroleum-contaminated sedimentation basins of a former petro-chemical plant. I used conventional PCR, cloning and sequencing approach targeting 18S rRNA gene to investigate AMF community structure. I analyzed at minimum 48 clones for each sample. Beta diversity analyses showed that AMF community structure was significantly different across biotopes (roots and rhizospheric soils) and different concentrations of petroleum hydrocarbon contamination. Our results showed that plant identity and concentrations of petroleum hydrocarbon contaminations strongly influenced the AMF community structure as well as the inter-specific relationship among AMF taxa. Moreover, with consideration of both biotic and abiotic factors, we found that several AMF OTUs showed positive and negative correlations between each other and also with petroleum hydrocarbon pollutants. My study brings us in-valuable information to apply AMF for the phytoremediation in the future.

The state of Florida has one of the most severe exotic species invasion problems in the United States, but little is known about their influence on soil biogeochemistry. My dissertation research includes a cross-continental field study in Australia, Florida, and greenhouse and growth chamber experiments, focused on the soil-plant interactions of one of the most problematic weeds introduced in south Florida, Lygodium microphyllum (Old World climbing fern). Analysis of field samples from the ferns introduced and their native range indicate that L microphyllum is highly dependent on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) for phosphorus uptake and biomass accumulation. Relationship with AMF is stronger in relatively dry conditions, which are commonly found in some Florida sites, compared to more common wet sites where the fern is found in its native Australia. In the field, L. microphyllum is found to thrive in a wide range of soil pH, texture, and nutrient conditions, with strongly acidic soils in Australia and slightly acidic soils in Florida. Soils with pH 5.5 - 6.5 provide the most optimal growth conditions for L. microphyllum, and the growth declines significantly at soil pH 8.0, indicating that further reduction could happen in more alkaline soils. Comparison of invaded and uninvaded soil characteristics demonstrates that L. microphyllum can change the belowground soil environment, with more conspicuous impact on nutrient-poor sandy soils, to its own benefit by enhancing the soil nutrient status. Additionally, the nitrogen concentration in the leaves, which has a significant influence in the relative growth rate and photosynthesis, was significantly higher in Florida plants compared to Australian plants. Given that L. microphyllum allocates up to 40% of the total biomass to rhizomes, which aid in rapid regeneration after burning, cutting or chemical spray, hence management techniques targeting the rhizomes look promising. Over all, my results reveal for the first time that soil pH, texture, and AMF are major factors facilitating the invasive success of L. mcirophyllum. Finally, herbicide treatments targeting rhizomes will most likely become the widely used technique to control invasiveness of L. microphyllum in the future. However, a complete understanding of the soil ecosystem is necessary before adding any chemicals to the soil to achieve a successful long-term invasive species management strategy.

Les toits verts sont des écosystèmes d’une grande importance pour les milieux urbains. Cependant, le microbiome du sol est peu considéré dans l’aménagement de ces habitats, alors qu’il est pourtant à la base de nombreux services écosystémique, dont le cyclage des nutriments et la productivité primaire. Il est donc nécessaire de s’intéresser davantage à l’assemblage de ce microbiome, de manière à éventuellement mieux manipuler ces communautés pour favoriser le maintien des services écosystémiques. Nous avons donc échantillonné le sol 19 toits verts en plus de cinq grands parcs urbains afin d’étudier les communautés bactériennes, fongiques et mycorhiziennes de ces habitats. Contrairement à ce que prédisent les théories classiques en écologie, les communautés microbiennes des sols des toits verts sont abondantes et diversifiées même dans les toits les plus jeunes. De plus ces communautés ne sont pas dominées par des microorganismes reconnus comme étant tolérants au stress. Ainsi, les limites à la dispersion ne semblent pas affecter ces communautés microbiennes isolées. Une grande variation dans les structures des communautés est restée non expliquée, montrant peu d’évidences d’assemblages déterministes. Ce phénomène pourrait être dû à une plus grande importance de déterminants ou processus stochastiques. Nous avons aussi observé ce phénomène chez les champignons mycorhiziens avec une plus grande abondance des espèces fréquentes régionalement et globalement. Cela montre l’importance du pool régional d’espèces pour l’assemblage des communautés des toits verts. Les toits échantillonnés ont des microbiomes uniques aux parcs environnants, avec une faible abondance de certains groupes taxonomiques, comme les Thaumarchaeota (procaryotes nitrificateurs), les actinobactéries (saprotrophes), ou les Gigasporaceae (champignons mycorhiziens produisant un important réseau d’hyphes extraracinaires). Ces profils microbiens uniques pourraient induire des conséquences biogéochimiques importantes sur les processus écosystémiques du sol des toits verts. Les recherches futures devraient évaluer les liens entre la structure du microbiome et les fonctions écosystémiques rendus par les toits verts. / Green roofs are novel ecosystems of great importance for urban environments. However, green roof soil microbiome has received little attention, even though it supports numerous ecosystem services. It is therefore necessary to pay more attention to the green roof soil microbiome assembly and eventually better manipulate it to promote the maintenance of ecosystem services, as nutrient cycling and primary productivity. We sampled 19 green roofs in addition to five large urban parks to study the bacterial, fungal and mycorrhizal communities in these habitats. Contrary to what was expected under classic ecological theories, microbial communities were abundant and diverse, even on the youngest roofs. Moreover, green roofs soils were not dominated by microorganisms known to be particularly stress tolerant. Dispersal limitation did not appear to affect the green roof soil communities. High level of variation in community structure remained unexplained, showing little evidence of deterministic assembly. This phenomenom may be a sign of stochastic assembly in these habitats. It was partly observed for mycorrhizal fungi with greater abundance of regionally and globally frequent species. This suggests the importance of regional species pool for community assembly in green roofs. The sampled roofs showed unique microbiomes, with low abundance of some taxonomic groups, such as the Thaumarchaeota (nytrifying prokaryotes), Actinobacteria (sapotrophs), or Gigasporaceae (mycorrhizal fungi producing an important external hyphae network). This could have important biogeochemical consequences on green roofs. Much insight will be gained from future research looking at the links between microbiome composition and the ecosystem services provided by green roofs.

L’utilisation d’inoculants de champignon mycorhizien arbusculaire (CMA) et de bactéries promotrices de la croissance de la plante (PGPR) comme biofertilisants pour améliorer la croissance de la plante et augmenter les rendements des cultures connait de plus en plus un intérêt remarquable. Ces inoculants peuvent influencer les relations trophiques à travers les changements induits au niveau de la plante. Cependant, en contexte agroécologique, il est difficile de prédire les effets de leur application sur les niveaux trophiques supérieurs, notamment sur les insectes phytophages et leurs ennemis naturels. Ainsi, l’objectif de ce projet de thèse était d’évaluer les effets des inoculants de champignon mycorhizien et bactériens sur les insectes du soja. Spécifiquement il est question : 1) d’évaluer l’influence sur le puceron du soja Aphis glycines (2e niveau trophique), de la symbiose tripartite entre un CMA Rhizophagus irregularis, une bactérie rhizobium Bradyrhizobium japonicum et le soja Glycine max ; 2) de déterminer l’impact des inoculants de R. irregularis et de B. japonicum associés au soja sur les ennemis naturels du puceron de soja, la coccinelle Coleomegilla maculata et le parasitoïde Aphelinus certus (3e niveau trophique) ; 3) d’évaluer les effets de la co-inoculation des inoculants de R. irregularis, B. japonicum et de Bacillus pumilus sur les insectes phytophages et leurs ennemis naturels associés au soja au champ. Les expériences en chambre de croissance (objectifs 1 et 2) ont montré une altération des traits de performance des plantes en présence des inoculants comparées aux plantes témoins. Les différences de colonisation mycorhizienne et de nodulation, observées entre les traitements sont une preuve du fonctionnement de l’inoculation. Avec le double inoculant, j’ai observé une augmentation de la biomasse de la plante, des concentrations en azote et carbone, et une diminution de la concentration en phosphore. Avec le rhizobium seul, j’ai obtenu les mêmes effets, sauf pour la biomasse racinaire qui n’a pas été affectée. Avec le CMA seul, une augmentation de la concentration en phosphore a été observée, mais aucun des autres paramètres de la plante n'a été affecté. Au deuxième niveau trophique sur le puceron du soja, le soja inoculé avec le double inoculant CMA+rhizobium, suivi du rhizobium seul, ont augmenté significativement la densité de la population de pucerons, alors qu’aucun des inoculants n’a eu un effet sur le fitness du puceron. En revanche, aucun des traits de performance du puceron (fécondité et taille des individus) n’a été affecté par la présence de l’inoculant CMA seul. D’autre part, j’ai noté une corrélation positive entre la concentration en azote et le taux de reproduction des pucerons, alors qu’avec la concentration en phosphore, la corrélation avec la colonie des pucerons est négative. Quant au troisième niveau trophique, une réduction significative du taux de parasitisme chez A. certus a été observée en présence du rhizobium seul, mais aucun autre paramètre n’a été affecté comparativement aux autres traitements : contrôle, CMA et double inoculant (CMA+rhizobium). Avec le prédateur C. maculata, aucun paramètre mesuré n’a été affecté par les effets indirects des inoculants. Il ressort de l’évaluation que j’ai faite au champ (objectif 3), une augmentation de l'abondance des insectes piqueurs-suceurs avec le triple inoculant (CMA+rhizobium+Bacillus), mais aucune différence entre les traitements pour les autres groupes d'insectes (broyeurs, et ennemis naturels des pucerons). Aucun groupe fonctionnel n’a été affecté en présence du double inoculant CMA+rhizobium sauf le puceron du soja, A. glycines, qui a vu sa population décroître mais seulement dans les parcelles fertilisées en potassium. J’ai également montré que les abondances des insectes piqueurs-suceurs et des insectes broyeurs, et la diversité alpha des insectes phytophages étaient toutes corrélées négativement avec la colonisation mycorhizienne globale. Ces résultats confirment que la co-inoculation de deux symbiotes peut non seulement améliorer les performances des plantes mais aussi celles des insectes phytophages au-delà de ce que chaque symbiote peut apporter seul. Au moins dans notre système d'étude en chambre de croissance, il semble que les avantages que les symbioses microbe-plante confèrent au deuxième niveau trophique avec une augmentation de la population de pucerons sont peu transférés au troisième niveau sur les ennemis naturels du puceron. Dans un système agricole où les agriculteurs veulent bénéficier des retombées de ces inoculants, notamment dans la gestion des insectes associés aux cultures, les CMA semblent favorables s’ils sont utilisés seuls et du fait de leur potentiel à réduire les insectes ravageurs. / The use of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth promoting bacteria (PGPR) inoculants, as biofertilizers to boost plant growth and increase crop yields, is gaining interest. These inoculants can also influence trophic relationships through changes on plant. However, in an agroecological context, it is difficult to predict the effects of their application on higher trophic levels, namely phytophagous insects, and their natural enemies. The objective of this thesis research is to evaluate the effects of mycorrhizal fungi and bacterial inoculants on soybean-associated insects. Specifically, it is to: 1) evaluate the influence on the soybean aphid, Aphis glycines (2nd trophic level), of the tripartite symbiosis between an AMF, Rhizophagus irregularis, a rhizobium bacterium, Bradyrhizobium japonicum, and the soybean, Glycine max; 2) determinate the impact of R. irregularis and B. japonicum inoculants associated with soybean on the natural enemies of soybean aphid, the ladybug Coleomegilla maculata and the parasitoid wasp Aphelinus certus (3rd trophic level); 3) evaluate the effects of co-inoculation of R. irregularis, B. japonicum and Bacillus pumilus inoculants on soybean-associated phytophagous insects and their natural enemies in an agricultural field conditions. The walk-in growth room experiments (objectives 1 and 2) showed an alteration of the performance traits of the plants in the presence of the inoculants compared to control plants. The differences in mycorrhizal colonization and nodulation, observed between treatments, are evidence that the inoculation works. With the double inoculant, I observed an increase in plant biomass, nitrogen and carbon concentrations, and a decrease in phosphorus concentration. With rhizobium inoculation alone, without AMF, I obtained the same effects, except the root biomass that was not affected. With AMF alone, an increase in phosphorus concentration was observed, but none of the other plant parameters were affected. At second trophic level, inoculation of soybeans with the dual inoculant AMF-rhizobium, followed by rhizobium alone, significantly increased aphid population density, while none of inoculant influenced the fitness of the aphid. However, AMF alone did not affect any parameter traits (reproduction and fitness) of the aphid. I noted a positive correlation between nitrogen concentration and aphid reproductive rate, whereas the correlation between phosphorus concentration and aphid colony growth was negative. At the third trophic level, a significant reduction in the rate of parasitism of A. certus was observed in the presence of rhizobium inoculant alone, but no other parameters were affected with any other treatments, namely the control, the AMF inoculant, or the double inoculant (AMF+rhizobium). With the predator C. maculata, no measured parameters were affected by the indirect effects of any of the inoculant treatments. During my field assessment (objective 3), I observed an increase in the abundance of piercing-sucking insects with the triple inoculant (AMF+rhizobium+Bacillus), but no differences between treatments for other insect groups (chewing insects, or natural enemies of aphids). No functional group was affected by the presence of the double inoculant, CMA+rhizobium except the soybean aphid, A. glycines, which saw its population decrease in potassium-fertilized plots. I also showed that the abundance of piercing-sucking insects, chewing insects, and the alpha diversity of phytophagous insects were all negatively correlated with mycorrhizal colonization. The results of my studies confirm that co-inoculation of two symbionts can not only improve plant performance but also that of phytophagous insects beyond what each symbiont can provide alone. At least in our growth chamber study system, it appears that the benefits that microbe-plant symbioses confer to the second trophic level, with an increase in aphid population, are little transferred to the third level on the natural enemies of the soybean aphid. In agricultural system where farmers seek the benefits of these inoculants, especially in the management of insects associated with crops, AMF seem favorable when they are used alone and because of their potential to reduce insect pests.

La gestion efficace des champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) est largement considérée comme une stratégie prometteuse pour le développement de l’agriculture durable et de conservation. Or, la culture conventionnelle de Brassicaceae non-mycorhiziennes, un groupe qui comprend plusieurs cultures d’une grande importance économique en Amérique du Nord, telles que le chou régulier (Brassica oleracea var. capitata) et le brocoli (Brassica oleracea var. italica), peut réduire la densité des CMA dans les agroécosystèmes. Dans le but de réduire l’impact négatif des cultures de brocoli et de chou sur l’abondance des CMA au champ, nous proposons de cultiver ces plants en compagnonnage persistant avec du trèfle blanc (Trifolium repens L.), une plante dépendant largement des CMA. Nous avons testé l’impact de la culture intercalaire de B. oleracea, sur (1) la colonisation des racines de Brassicaceae par les CMA et le rendement de ces cultures, et (2) la vitesse et l’intensité de colonisation d’une culture subséquente associée aux CMA, le maïs sucré, et son rendement. Dans cette étude, nous avons observé que les CMA pouvaient coloniser et former des vésicules dans les racines de cultures de B. oleracea, même lorsque cultivées sans culture mycorhizienne d’entre-rang, probablement via d’autres sources de carbone. Néanmoins, plus de brocolis étaient colonisés lorsqu’ils étaient cultivés dans les parcelles avec trèfle, mais ils étaient colonisés à une plus basse intensité. Comme escompté, l’adoption d’une culture de couverture intercalaire de trèfle persistant à travers les deux rotations a réduit le délai de colonisation de la culture de maïs et en a augmenté le rendement. / Efficient management of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) holds much potential in conservation and sustainable agriculture. Growing non-mycorrhizal Brassicaceae crops, including crops of great economic importance in North America such as regular cabbage (Brassica oleracea var. capitata) and broccoli (B. oleracea var. italica), has been associated with reduced AMF density in agroecosystem. In the hope of reducing the negative impact of broccoli and cabbage culture on AMF abundance in fields, we cultivated these crops alongside mycorrhizal white clover (Trifolium repens L.) in a persistent intercropping system. We tested the impact of B. oleracea intercropping on (1) AMF root colonization levels and crop yield, and on (2) the AMF colonization speed and level, as well as the yield of a following mycorrhiza-dependent crop rotation, sweet maize (Zea mays L.) In this study, we found that AMF could colonize and produce vesicles in B. oleracea crop roots, even when grown without a mycorrhizal intercrop, probably through other carbon sources. Intercropping with clover still led to more broccolis being colonized by AMF, but at a lower intensity than in sole crop plots. As expected, use of a persistent clover intercrop reduced colonization delay and increased yield of the subsequent maize rotation.

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Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un groupe de champignons qui appartient à l'embranchement des Gloméromycètes (Glomeromycota). Les CMA forment des associations symbiotiques, connus sous le nom des mycorhizes à arbuscules avec plus de 80 % des plantes vasculaires terrestres. Une fois que les CMA colonisent les racines de plantes, ils améliorent leurs apports nutritionnels, notamment le phosphore et l'azote, et protègent les plantes contre les différents pathogènes du sol. En contrepartie, les plantes offrent un habitat et les ressources de carbone nécessaires pour le développement et la reproduction des CMA. Des études plus récentes ont démontré que les CMA peuvent aussi jouer des rôles clés dans la phytoremédiation des sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces métaliques. Toutefois, dans les écosystèmes naturels, les CMA établissent des associations tripartites avec les plantes hôtes et les microorganismes (bactéries et champignons) qui vivent dans la rhizosphère, l'endosphère (à l'intérieur des racines) et la mycosphère (sur la surface des mycéliums des CMA), dont certains d'entre eux jouent un rôle dans la translocation, l’immobilisation et/ou la dégradation des polluants organiques et inorganiques présents dans le sol. Par conséquent, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés sont influencées par la concentration et la composition des polluants présents dans le sol, et aussi par les différents exsudats sécrétés par les trois partenaires (CMA, bactéries et les racines de plantes). Cependant, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés demeure très peu connue dans les sols contaminés. Les interactions entre les CMA et ces microorganismes sont aussi méconnus aussi bien dans les aires naturelles que contaminées. Dans ce contexte, les objectifs de ma thèse sont: i) étudier la diversité des CMA et les microorganismes qui leur sont associés dans des sols contaminés par les HP, ii) étudier la variation de la diversité des CMA ainsi que celle des microorganismes qui leur sont associés par rapport au niveau de concentration en HP et aux espèces de plantes hôtes, iii) étudier les correlations (covariations) entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés et iv) comparer les communautés microbiennes trouvées dans les racines et sols contaminés par les HP avec celles trouvées en association avec les CMA. Pour ce faire, des spores et/ou des propagules de CMA ont été extraites à partir des racines et des sols de l'environnement racinaire de trois espèces de plantes qui poussaient spontanément dans trois bassins de décantation d'une ancienne raffinerie de pétrole située dans la Rive-Sud du fleuve St-Laurent, près de Montréal. Les spores et les propagules collectées, ainsi que des échantillons du sol et des racines ont été soumis à des techniques de PCR (nous avons ciblés les genes 16S de l'ARNr pour bactéries, les genes 18S de l'ARNr pour CMA et les régions ITS pour les autres champignons), de clonage, de séquençage de Sanger ou de séquençage à haut débit. Ensuite, des analyses bio-informatiques et statistiques ont été réalisées afin d'évaluer les effets des paramètres biotiques et abiotiques sur les communautés des CMA et les microorganismes qui leur sont associés. Mes résultats ont montré une diversité importante de bactéries et de champignons en association avec les spores et les propagules des CMA. De plus, la communauté microbienne associée aux spores des CMA a été significativement affectée par l'affiliation taxonomique des plantes hôtes et les niveaux de concentration en HP. D'autre part, les corrélations positives ou négatives qui ont été observées entre certaines espèces de CMA et microorganismes suggérèrent qu’en plus des effets de la concentration en HP et l'identité des plantes hôtes, les CMA peuvent aussi affecter la structure des communautés microbiennes qui vivent sur leurs spores et mycéliums. La comparaison entre les communautés microbiennes identifiées en association avec les spores et celles identifiées dans les racines montre que les communautés microbiennes recrutées par les CMA sont différentes de celles retrouvées dans les sols et les racines. En conclusion, mon projet de doctorat apporte de nouvelles connaissances importantes sur la diversité des CMA dans un environnement extrêmement pollué par les HP, et démontre que les interactions entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés sont plus compliquées que ce qu’on croyait précédemment. Par conséquent, d'autres travaux de recherche sont recommandés, dans le futur, afin de comprendre les processus de recrutement des microorganismes par les CMA dans les différents environnements. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an important soil fungal group that belongs to the phylum Glomeromycota. AMF form symbiosic associations known as arbuscular mycorrhiza with more than 80% of vascular plants on earth. Once AMF colonize plant roots, they promote nutrient uptake, in particular phosphorus and nitrogen, and protect plants against soil-borne pathogens. In turn, plants provide AMF with carbon resources and habitat. Furthermore, more recent studies demonstrated that AMF may also play key roles in phytoremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbon pollutants (PHP) and trace elements. Though, in natural ecosystems, AMF undergo tripartite associations with host plants and micoorganisms (Bacteria and Fungi) living in rhizosphere (the narrow region of soil surounding the plant roots), endosphere (inside roots) and mycosphere (on the surface AMF mycelia), which some of them play a key role on translocation, immobilization and/or degradation of organic and inorganic pollutants. Consequently, the diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms are influenced by the composition and concentration of pollutants and exudates released by the three partners (AMF, bacteria and plant roots). However, little is known about the diversity of AMF and their associated microorganisms in polluted soils and the interaction between AMF and these microorganisms remains poorly understood both in natural and contaminated areas. In this context, the objectives of my thesis were to: i) study the diversity of AMF and their associated microorganisms in PHP contaminated soils, ii) study the variation in diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms across plant species identity and PHP concentrations, iii) study the correlations (covariations) between AMF species and their associated microorganisms and iv) compare microbial community structures of PHP contaminated soils and roots with those associated with AMF spores in order to determine if the microbial communities shaped on the surface of AMF spores and mycelia are different from those identified in soil and roots. To do so, AMF spores and/or their intraradical propagules were harvested from rhizospheric soil and roots of three plant species growing spontaneously in three distinct waste decantation basins of a former petrochemical plant located on the south shore of the St-Lawrence River, near Montreal. The harvested spores and propagules, as well as samples of soils and roots were subjected to PCR (we target 16S rRNA genes for bacteria, 18S rRNA genes for AMF and ITS regions for the other fungi), cloning, Sanger sequencing or 454 high throughput sequencing. Then, bioinformatics and statistics were performed to evaluate the effects of biotic and abiotic driving forces on AMF and their associated microbial communities. My results showed high fungal and bacterial diversity associated with AMF spores and propagules in PHP contaminated soils. I also observed that the microbial community structures associated with AMF spores were significantly affected by plant species identity and PHP concentrations. Furthermore, I observed positive and negative correlations between some AMF species and some AMF-associated microorganisms, suggesting that in addition to PHP concentrations and plant species identity, AMF species may also play a key role in shaping the microbial community surrounding their spores. Comparisons between the AMF spore-associated microbiome and the whole microbiome found in rhizospheric soil and roots showed that AMF spores recruit a microbiome differing from those found in the surrounding soil and roots. Overall, my PhD project brings a new level of knowledge on AMF diversity on extremely polluted environment and demonstrates that interaction of AMF and their associated microbes is much complex that we though previously. Further investigations are needed to better understand how AMF select and reward their associated microbes in different environments.

Les trichothécènes de Fusarium appartiennent au groupe des sesquiterpènes qui sont des inhibiteurs la synthèse des protéines des eucaryotes. Les trichothécènes causent d’une part de sérieux problèmes de santé aux humains et aux animaux qui ont consommé des aliments infectés par le champignon et de l’autre part, elles sont des facteurs importants de la virulence chez plantes. Dans cette étude, nous avons isolé et caractérisé seize isolats de Fusarium de la pomme de terre infectée naturellement dans un champs. Les tests de pathogénicité ont été réalisés pour évaluer la virulence des isolats sur la pomme de terre ainsi que leur capacité à produire des trichothécènes. Nous avons choisi F. sambucinum souche T5 comme un modèle pour cette étude parce qu’il était le plus agressif sur la pomme de terre en serre en induisant un flétrissement rapide, un jaunissement suivi de la mort des plantes. Cette souche produit le 4,15-diacétoxyscirpénol (4,15-DAS) lorsqu’elle est cultivée en milieu liquide. Nous avons amplifié et caractérisé cinq gènes de biosynthèse trichothécènes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, et TRI101) impliqués dans la production du 4,15-DAS. La comparaison des séquences avec les bases de données a montré 98% et 97% d'identité de séquence avec les gènes de la biosynthèse des trichothécènes chez F. sporotrichioides et Gibberella zeae, respectivement. Nous avons confrenté F. sambucinum avec le champignon mycorhizien à arbuscule Glomus irregulare en culture in vitro. Les racines de carotte et F. sambucinum seul, ont été utilisés comme témoins. Nous avons observé que la croissance de F. sambucinum a été significativement réduite avec la présence de G. irregulare par rapport aux témoins. Nous avons remarqué que l'inhibition de la croissance F. sambucinum a été associée avec des changements morphologiques, qui ont été observés lorsque les hyphes de G. irregulare ont atteint le mycélium de F. sambucinum. Ceci suggère que G. irregulare pourrait produire des composés qui inhibent la croissance de F. sambucinum. Nous avons étudié les patrons d’expression des gènes de biosynthèse de trichothécènes de F. sambucinum en présence ou non de G. irregulare, en utilisant le PCR en temps-réel. Nous avons observé que TRI5 et TRI6 étaient sur-exprimés, tandis que TRI4, TRI13 et TRI101 étaient en sous-exprimés en présence de G. irregulare. Des analyses par chromatographie en phase-gazeuse (GC-MS) montrent clairement que la présence de G. irregulare réduit significativement la production des trichothécènes par F. sambucinum. Le dosage du 4,15-DAS a été réduit à 39 μg/ml milieu GYEP par G. irregulare, comparativement à 144 μg/ml milieu GYEP quand F. sambucinum est cultivé sans G. irregulare. Nous avons testé la capacité de G. irregulare à induire la défense des plants de pomme de terre contre l'infection de F. sambucinum. Des essais en chambre de croissance montrent que G. irregulare réduit significativement l’incidence de la maladie causée par F. sambucinum. Nous avons aussi observé que G. irregulare augmente la biomasse des racines, des feuilles et des tubercules. En utilisant le PCR en temps-réel, nous avons étudié les niveaux d’expression des gènes impliqué dans la défense des plants de pommes de terre tels que : chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (Glub), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protéin (OSM-8e) et pathogenèses-related protein (PR-1). Nous avons observé que G. irregulare a induit une sur-expression de tous ces gènes dans les racines après 72 heures de l'infection avec F. sambucinum. Nous avons également trové que la baisse provoquée par F. sambucinum des gènes Glub et CEVI16 dans les feuilles pourrait etre bloquée par le traitement AMF. Ceci montre que l’inoculation avec G. irregulare constitut un bio-inducteur systémique même dans les parties non infectées par F. sambucinum. En conclusion, cette étude apporte de nouvelles connaissances importantes sur les interactions entre les plants et les microbes, d’une part sur les effets directs des champignons mycorhiziens sur l’inhibition de la croissance et la diminution de la production des mycotoxines chez Fusarium et d’autre part, l’atténuation de la sévérité de la maladie dans des plantes par stimulation leur défense. Les données présentées ouvrent de nouvelles perspectives de bio-contrôle contre les pathogènes mycotoxinogènes des plantes. / Fusarium trichothecenes are a large group of sesquiterpenes that are inhibitors of eukaryotic protein synthesis. They cause health problems for humans and animals that consume fungus-infected agricultural products. In addition some of Fusarium trichothecenes are virulence factors of plant pathogenesis. In this study, sixteen Fusarium strains were isolated and characterized from naturally infected potato plants. Pathogenicity tests were carried out to evaluate the virulence of these isolates on potato plants and their trichothecene production capacity. We chose F. sambucinum strain T5 as a model for this study because it was the most aggressive strain when tested on potato plants. It induces a rapid wilting and yellowing resulting in plant death. This strain produced 4,15-diacetoxyscirpenol (4,15-DAS) when grown in liquid culture. We amplified and characterized five trichothecene genes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, and TRI101) involved in the production of 4,15-DAS. Nucleotide BLAST search showed 98% and 97% sequence identity with trichothecene biosynthetic genes of F. sporotrichioides and Gibberella zeae, respectively. We used F. sambucinum to determine if trichothecene gene expression was affected by the symbiotic arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) Glomus irregulare. We found that the growth of F. sambucinum was significantly reduced in the presence of G. irregulare isolate DAOM-197198 compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Furthermore, inhibition of the growth F. sambucinum was associated with morphological changes, which were observed when G. irregulare hyphae reached F. sambucinum mycelium, suggesting that G. irregulare may produce compounds that interfere with the growth of F. sambucinum. Using real-time qRT-PCR assays, we assessed the relative expression of trichothecene genes of F. sambucinum confronted or not with G. irregulare. When G. irregulare was confronted with F. sambucinum, TRI5 and TRI6 genes were up-regulated, while TRI4, TRI13 and TRI101 were down-regulated. We therefore used GC-MS analysis to determine whether G. irregulare affects trichothecene production by F. sambucinum. We found that the production of 4,15-DAS trichothecene was significantly reduced in the presence of G. irregulare compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Interestingly, 4,15-DAS pattern was reduced to 39 μg/ml GYEP medium by G. irregulare compared to 144 μg/ml GYEP with F. sambucinum grown with carrot roots or F. sambucinum alone respectively. We tested the AMF capacity to induce defense responses of potato plants following infection with F. sambucinum. The response of AMF-colonized potatoes to F. sambucinum was investigated by tracking the expression of genes homologous with pathogenesis-related proteins chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (gluB), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protein (OSM-8e) and pathogenesis-related protein (PR-1). We found that the AMF treatment up-regulated the expression of all defense genes in roots at 72 hours post-infection (hpi) with F. sambucinum. We also found that a decrease provoked by F. sambucinum in gluB and CEVI16 expression in shoots could be blocked by AMF treatment. Overall, a differential regulation of PR homologues genes in shoots indicates that AMF are a systemic bio-inducer and their effects could extend into non-infected parts. In conclusion, this study provides new insight into on the interactions between plants and microbes, in particular the effects of AMF on the growth and the reduction of mycotoxins in Fusarium. It also shows that AMF are able to reduce the disease severity in plants by stimulating their defense. The data presented provide new opportunities for bio-control against mycotoxin-producing pathogens in plants.

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome. / Background: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root-inhabiting fungi whose hyphal networks form symbioses with plants. Previous studies have revealed extremely high levels of genetic variation for some loci, which has lead to the proposition that AMF contain thousands of genetically divergent nuclei that share the same cytoplasm, i.e. they are heterokaryotic coenocytes. No reproductive stage has as yet been observed in AMF, yet evidence is accumulating that the observed high levels of diversity could be maintained by the exchange of nuclei between hyphal systems and (meiotic) recombination. AMF spores contain varying fractions of this heterogeneous population of nuclei, which migrate directly from the parent mycelium. To our knowledge, AMF are the only organisms that never pass through a single nucleus stage in their life cycle, which allows nuclei to diverge into genetically distinct nuclei within the same cytoplasm. Thus, estimating genetic diversity in arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) is a major challenge, not only for ecologists in the field but also for molecular biologists in the lab. It is unclear what the extent of polymorphism is in AMF genomes. The present thesis investigates different aspects of this peculiar genome organization. Results The second chapter in this thesis confirms the extensive intra-isolate polymorphism that was previously observed for large subunit rDNA (in G. irregulare DAOM-197198) and the polymerase1-like gene, PLS (in G. etunicatum), and shows that this polymorphism is transcribed. In the third chapter I report the presence of a bottleneck of genetic variation at sporulation for the PLS locus, in G. etunicatum. Analyses in the fourth chapter, based on a conservative network-based clustering approach and five novel single copy genomic markers, reveal extensive genome-wide patterns of diversity in two different AMF species (G. irregulare and G. diaphanum). Conclusions The results from this thesis provide additional evidence in favor of genome differentiation between nuclei in the same isolate for AMF. Thus, at least three members of the Glomus genus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum appear to be organisms whose genome organization cannot be described by a single genome sequence: genetically differentiated nuclei in AMF form a pangenome.

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are the most widespread eukaryotic symbionts, forming mutualistic associations known as Arbuscular Mycorrhizae with the majority of plantroots. AMF are obligate biotrophs belonging to an ancient fungal lineage of phylum Glomeromycota. Their mycelia are formed by a complex network made up of coenocytic hyphae, where nuclei and cell organelles can freely move from one compartment to another. AMF are commonly acknowledged to improve plant growth by enhancing mineral nutrient uptake, in particular phosphate and nitrate, and they confer tolerance to abiotic and biotic stressors for plants. Despite their significant roles in ecosystems, their genetics and evolution are not well understood. Studying AMF is challenging due to their obligate biotrophy, their slow growth, and their limited morphological criteria. In addition, intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA brings another level of complexity to the investigation of the biology, ecology and function of AMF. Genetic polymorphism of nuclear DNA within a single isolate limits the development of efficient molecular markers mainly at lower taxonomic levels (i.e. the inter-isolate level). Instead, mitochondrial (mt) genomics have been used as an attractive alternative to study AMF. In AMF, mt genomes have been shown to be homogeneous, or at least much less polymorphic than nuclear DNA. However, by generating large mt sequence datasets we can investigate the efficiency and usefulness of developing molecular marker toolkits in order to study the dynamic and evolutionary mechanisms of AMF. This approach also elucidates the population genetics, community ecology and functions of Glomeromycota. Therefore, the objectives of my Ph.D. project were: 1) To investigate mitochondrial genome evolution using comparative mitogenomic analyses of closely related species and isolates as well as phylogenetically distant taxa of AMF; 2) To explore mt genome inheritance among compatible isolates of the model AMF Rhizophagus irregularis through anastomosis formation; and 3) To assess mtDNA and mt genes for marker development and phylogenetic analyses. We used whole genome shotgun, 454 pyrosequencing and HiSeq Illimina to sequence AMF taxa selected according to their importance and availability in our lab collections. De novo assemblies, Sanger sequencing, annotation and comparative genomics were then performed to characterize complete mtDNAs. We discovered interesting evolutionary mechanisms in Gigaspora rosea: 1) we found a fully reshuffled mt genome synteny compared to Rhizaphagus irregularis DAOM 197198; and 2) we discovered the presence of fragmented cox1 and rns genes. We demonstrated that two cox1 transcripts are joined by trans-splicing. We also reported an unusual mtDNA organization in Rhizophagus sp. DAOM 213198, whose mt genome consisted of two circular mtDNAs. In addition, we observed a considerably higher number of mt plasmidrelated sequences in Glomeraceae compared with Gigasporaceae, contributing a mechanism for faster evolution of mtDNA in Glomeromycota. We also sequenced other isolates of R. irregularis and Rhizophagus sp. in order to unravel their evolutionary relationships and to develop molecular toolkits for their discrimination. Comparative mitogenomic analyses of these mtDNAs revealed the occurrence of many mobile elements such as mobile open reading frames (mORFs), short inverted repeats (SIRs), and plasmid-related sequences (dpo) that impact mt genome synteny and mtDNA alteration. All together, these evolutionary mechanisms among closely related AMF isolates give us clues for designing reliable and efficient intra- and inter-specific markers to discriminate closely related AMF taxa and isolates. Data generated in my Ph.D. project advances our knowledge of mitochondrial genomes evolution not only in Glomeromycota, but also in the larger framework of the Fungal kingdom and Eukaryotes in general. Molecular toolkits developed in this project will offer new opportunities to study population genetics, genetic exchanges and ecology of AMF. In turn, this work will contribute to understanding the role of these fungi in nature, with potential applications in both agriculture and environmental protection.