La phytoremédiaton assistée par les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) compte parmi les méthodes émergentes de remédiation des sols pollués en raison de son adéquation avec le développement durable. Cette phytotechnologie présente un intêret à la fois dans la protection des plantes contre la phytotoxicité des polluants organiques tels que les hydrocarbures et dans leur dissipation. Cependant, son efficacité reste à prouver dans les sols historiquement multi-pollués. De plus, les mécanismes de dégradation et de tolérance mis en oeuvre par la symbiose mycorhizienne sont peu connus. Ainsi, ce travail de thèse avait pour premier objectif d'étudier chez les partenaires symbiotiques Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivés in vitro, l'expression de gènes potentiellement impliqués dans la tolérance au benzo[a]pyrène (B[a]P), un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) de haut poids moléculaire fréquemment détecté dans les sols pollués. Pour cela, les expressions de gènes codant pour des enzymes antioxydantes, de détoxification des polluants et de réparation de l'ADN ont été mesurées par PCR quantitative en temps réel. Nos résultats ont montré une corrélation positive entre l'induction des systèmes antioxydants au niveau génique et enzymatique et la production d' H₂O₂ induite par l'accumulation de B[a]P dans les racines non mycorhizées et le CMA. En revanche, lorsque les racines sont colonisés par le CMA, celui-ci agirait comme une barrière physique en limitant l'accumulation de B[a]P et la production d'H₂O₂ dans les racines, et provoquerait la répression des systèmes antioxydants racinaires. Le second objectifs de cette thèse a consisté à évaluer l'apport d'un amendement mycorhizien dans la dégradation de deux types d'hydrocarbures : les HAP et les alcanes, présent dans un sol historiquement multi-pollué (site de l'Union). L'étude a été conduite en microcosmes en présence de blé (Triticul aestivum) inoculé ou non par R. irregularis. Une contribution positive de cette inoculation dans la biodégradation des hydrocarbures après 16 semaines de culture a été démontrée. Cette meilleure dégradation serait liée notamment à la stimulation de la microflore bactérienne du sol mais également aux capacités métaboliques de la plante. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-assisted phytoremediation is one of innovative method for the remediation of polluted soils due to its relevance to sustainable development. This phytotechnology presents benefits both in the protection of plants against the phytotoxicity of organic pollutants such as hydrocarbons and in their dissipation. However, its efficiency remains to be proved in the aged multi-polluted soils and the mechanisms of degradation and tolerance implemented by the mycorrhizal symbiosis are poorly known. Thus, the thesis aims firstly to study in the symbiotic partners Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivated in vitro, the expression of genes potentially involved in the tolerance to benzo[a]pyrene (B[a]P), a high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) frequently detected in polluted soils. Expressions of genes encoding for antioxidant, pollutant, detoxification and DNA repairing enzymes were measured by real time PCR. Our results showed a positive correlation between the induction of antioxidant systems (genes and enzymes) and the production of H₂O₂ induced by the accumulation of B[a]P in non-mycorrhizal root and the AMF. In contrast, when the roots are colonized by the AMF, this one would act as a physical barrier limiting the accumulation of B[a]P and H₂O₂ production of in the roots and would cause the repression of root antioxidant systems. The second objective of the thesis consisted of evaluating the contribution of the arbuscular mycorrhizal amendment in the degradation of two types of hydrocarbons : the PAH and the alkanes, present in an aged multi-polluted soils (site of Union). The study was carried out in microcosms in the presence of non-inoculated or inoculated wheat (Triticul aestivum) by R. irregularis. A positive contribution of the mycorrhizal inoculation in the hydrocarbon biodegradation after 16 weeks of culture was demonstrated. This better degradation is related especially to the simulation of the bacterial microflora but also to the plant metabolic abilities.

Les interactions entre les végétaux et les organismes telluriques sont déterminantes pour la décomposition des matières organiques et la nutrition minérale des plantes. L’objectif général de la thèse était de comprendre comment les interactions multi-trophiques dans la rhizosphere agissent sur la disponibilité en azote minéral et l’allocation en carbone dans la plante. Nous avons mis au point des dispositifs de culture de plante, permettant de contrôler l’environnement biotique des racines (inoculation par des espèces symbiotiques modèles : un protozoaire bactériophage et/ou une espèce mycorhizienne à arbuscules). Nous avons utilisé l’azote 15N et le carbone 13C pour tracer le cheminement de l’azote du sol vers la plante et le carbone assimilé par photosynthèse, de la plante vers le sol et les microorganismes du sol. L’allocation de C vers les racines et la rhizosphère est dépendante de la qualité de la litière foliaire enfouie. La structure de la communauté microbienne déterminée par l’analyse des profils d’acides gras (PLFA) est modifiée par la présence de protozoaires pour la litière à C/N élevé. Les mycorhizes à arbuscules et les protozoaires présentent une complémentarité pour l’acquisition du C et de N par la plante. Les protozoaires remobilisent l’azote de la biomasse microbienne par leur activité de prédation. Les hyphes fongiques transportent du C récent issu de la plante vers des sites riches en matière organique non accessibles aux racines. Ainsi, l’activité de la communauté microbienne est stimulée et la disponibilité en N augmentée lorsque des protozoaires sont présents. Les perspectives de ce travail sont de déterminer si (i) les interactions étudiées dans ce dispositif modèle peuvent être généralisées à d’autres interactions impliquant d’autres espèces de champignons mycorhiziens et de protozoaires (ii) la phénologie de la plante et la composition des communautés végétales influence la nature et l’intensité des réponses obtenues / Plants interact with multiple root symbionts for fostering uptake of growth-limiting nutrients. In turn, plants allocate a variety of organic resources in form of energy-rich rhizodeposits into the rhizosphere, stimulating activity, growth and modifying diversity of microorganisms. The aim of my study was to understand how multitrophic rhizosphere interactions feed back to plant N nutrition, assimilate partitioning and growth. Multitrophic interactions were assessed in a single-plant microcosm approach, with arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus intraradices) and bacterial feeding protozoa (Acanthamoeba castellanii) as model root symbionts. Stable isotopes enabled tracing C (13C) and N (15N) allocation in the plant and into the rhizosphere. Plant species identity is a major factor affecting plant-protozoa interactions in terms of N uptake and roots and shoot morphology. Plants adjusted C allocation to roots and into the rhizosphere depending on litter quality and the presence of bacterial grazers for increasing plant growth. The effect of protozoa on the structure of microbial community supplied with both, plant C and litter N, varied with litter quality added to soil. AM-fungi and protozoa interact to complement each other for plant benefit in C and N acquisition. Protozoa re-mobilized N from fast growing rhizobacteria and by enhancing microbial activity. Hyphae of AM fungi acted as pipe system, translocating plant derived C and protozoan remobilized N from source to sink regions. Major perspectives of this work will be to investigate whether (i) multitrophic interactions in our model system can be generalized to other protozoa-mycorrhiza-plant interactions (ii) these interactions are depending on plant phenology and plant community composition

Les couvertures végétales herbacées peuvent être utilisées non seulement pour revégétaliser les sols mis à nu, mais aussi pour contrer l’établissement d’arbres dans des écosystèmes naturels et semi-naturels. Cependant, la sélection des espèces permettant de composer des mélanges efficaces soulève des difficultés importantes encore aujourd’hui. De plus, garantir que les mélanges herbacés les plus efficaces dans une expérience de diversité peuvent être transposés dans des conditions réelles est un autre défi soulevant de l’incertitude lors de la mise en œuvre d’un plan de revégétalisation. La prise en compte des mécanismes spatiaux, abiotiques et biotiques est également cruciale pour comprendre comment les couvertures herbacées et les espèces ligneuses interagissent. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse fut d'améliorer le choix des espèces herbacées et d'approfondir notre compréhension des mécanismes biotiques, abiotiques et spatiaux impliqués dans l'inhibition des espèces ligneuses. Le premier objectif de cette thèse fut d'examiner la contribution de la composition et de la diversité (taxonomique et fonctionnelle) des espèces herbacées à l'établissement de deux espèces ligneuses indigènes, Acer rubrum et Betula populifolia, sur une période de trois ans. Le deuxième objectif fut d'évaluer l'efficacité de mélanges herbacés contenant Achillea millefolium et Solidago canadensis dans des conditions réelles de terrain pour contrer l'établissement d'espèces ligneuses (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), tout en tenant compte de facteurs locaux tels que les propriétés du sol, l'espace et la diversité alpha (taxonomique, fonctionnelle et phylogénétique) de la communauté herbacée résidente. Le troisième objectif fut d'élucider la relation entre les mycorhizes à arbuscules (MA) et le fitness des semis d'Acer rubrum. Ce dernier objectif comprenait également l'évaluation de l'influence sur le fitness des semis d'Acer rubrum de plusieurs facteurs, tels que les mélanges d’herbacées initiaux, l'abondance de la couverture, les propriétés du sol, ainsi que la densité et la richesse des couvertures végétales au sol et en surface. Pour atteindre ces objectifs, nous avons réalisé trois expériences : une expérience de diversité en conditions contrôlées dans une friche régulièrement fauché, une expérience de diversité en conditions de terrain et une expérience de rétroaction plante-sol en serre. Nos résultats ont mis en évidence que, dans des conditions contrôlées, les mélanges diversifiés et certaines espèces telles que Achillea millefolium et Solidago canadensis sont les moteurs d'une plus grande efficacité dans la prévention de l'établissement des arbres (c'est-à-dire Acer rubrum et Betula populifolia). Cependant, dans des conditions réelles de terrain et sur différentes espèces ligneuses colonisatrices (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), une revégétalisation réussie nécessite de prendre en compte à la fois l'efficacité des mélanges dans des conditions idéales et leur polyvalence écologique. Nos principales conclusions ont également mis en évidence que l'abondance relative des champignons mycorhiziens influençant la performance des semis d’Acer ne peut pas être prédite ni par les propriétés du sol ni par la structure de la communauté herbacée sur le terrain. En plus, certains mycorhizes à arbuscules (Dominikia sp. et Ambispora sp.) peuvent être liées à des effets négatifs sur les espèces ligneuses (Acer rubrum). En résumé, les trois projets de recherche présentés dans cette thèse ont permis d'identifier des mécanismes écologiques pertinents affectant les espèces ligneuses tels que l'identité des espèces herbacées considérées dans les mélanges, le rôle de la versatilité écologique des espèces herbacées, l'influence de mécanismes multiples, ainsi que le rôle des champignons mycorhiziens. Les résultats de cette thèse sont sujet, évidemment, à certaines limitations expérimentales et méthodologiques à prendre en compte dans l’éventualité d’une utilisation en conditions réelles ou lors de travaux de recherche futures. Les recherches futures pourraient par exemple explorer ces limites et identifier des mécanismes supplémentaires pour améliorer l'efficacité des efforts de revégétalisation dans des contextes de revégétalisation écologique. / Herbaceous plant covers can be used not only to revegetate bare soil but also to inhibit tree encroachment in many managed and semi-natural grasslands. However, selecting the right species to build effective mixtures has posed challenges until now. Defining if the most effective herbaceous mixtures in diversity experiments can be applied in real field conditions and over different woody species is even another challenge posing incertitude in a revegetation plan. Addressing spatial, abiotic, and biotic mechanisms is also crucial to understanding how herbaceous covers and woody species interact. Taking this into account, the main objective of this thesis was to improve the choice of herbaceous species and to deepen our understanding of the biotic, abiotic and spatial mechanisms involved in the inhibition of woody species. The first objective of this thesis was to examine the contribution of herbaceous species composition and diversity (taxonomic and functional) against the establishment of two native woody species, Acer rubrum and Betula populifolia, over 3 years. The second objective was to evaluate the efficacy of herbaceous mixtures containing Achillea millefolium and Solidago canadensis under real field conditions to suppress woody establishment (Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), while considering local factors such as soil properties, space and alpha diversity (taxonomic, functional and phylogenetic) of the resident herbaceous community. The third objective was to unravel the relationship between arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) and Acer rubrum seedling fitness. This objective also included the evaluation of the influence of several factors on Acer rubrum seedling fitness, such as initial treatments, cover abundances, soil properties, as well as the density and richness of ground and surface vegetation covers. To tackle these objectives, we carried out three experiments: a diversity experiment under controlled conditions in a regularly mown old field, a diversity experiment under field conditions, and a greenhouse plant-soil feedback experiment. Our results highlighted that, in controlled conditions, diversified mixtures and certain species such as Achillea millefolium and Solidago canadensis as drivers of higher efficiency in preventing tree establishment (i.e. Acer rubrum and Betula populifolia). Yet, in real field conditions and over different woody species colonizers (i.e., Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), successful revegetation requires considering both mixture effectiveness in ideal conditions and their ecological versatility. Our key findings also highlighted that the relative abundance of mycorrhizal fungi influencing the performance of Acer seedlings cannot be predicted by either soil properties or the structure of the herbaceous community in the field. Additionally, certain arbuscular mycorrhiza (i.e., Dominikia sp. and Ambispora sp.) can be linked to negative effects on woody species (i.e., Acer rubrum). In summary, the three research projects presented in this thesis allowed the identification of relevant ecological mechanisms affecting woody species such as the identity of the herbaceous species considered in the mixtures, the role of the ecological versatility of herbaceous species, the influence of multiple mechanisms, as well as the role of mycorrhizal fungi. The results of this thesis have experimental and methodological limitations that must be considered when used in real-life conditions or future research. Further research could explore these limitations and identify additional mechanisms to improve the effectiveness of revegetation efforts in ecological contexts.