Thesis (Ph. D.)--Oregon State University, 2009. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 224-240). Also available on the World Wide Web.

Les patrons de distribution chez les micro-organismes reposeraient sur leurs capacités à disperser dans le temps et dans l'espace, en lien avec des facteurs abiotiques comme les propriétés du sol, le climat, et des interactions biotiques, notamment avec l'hôte dans le cas des symbiontes, mais aussi sur les traits d'histoire de vie propres aux micro-organismes, telle que la capacité à sporuler. Frankia sp. est une actinobactérie sporulante et fixatrice d'azote à la biogéographie complexe, car vivant à la fois de façon saprophytique dans le sol, en symbiose racinaire (nodosité) avec les plantes actinorhiziennes dont les aulnes (Alnus, Betulaceae). Deux types de souches de Frankia génétiquement différentes ont été décrites dont la distinction phénotypique majeure réside dans la capacité à maintenir (Sp+) ou non (Sp-) leur sporulation in planta. Cette sporulation endophytique est à notre connaissance unique dans un contexte symbiotique et son implication dans la biogéographie de Frankia, reste peu connue. Ces travaux de thèse intègrent à la fois des approches descriptives et expérimentales, sur le terrain et au laboratoire, afin d'accroître la compréhension du rôle écologique de la sporulation in planta de Frankia. Dans un premier temps, nous avons étendu la description de la phylobiogéographie des souches de Frankia Sp+ afin de tester la validité du patron de distribution centré sur les milieux froids des zones de haute altitude et de haute latitude de l'hémisphère nord. Un intérêt tout particulier a été porté sur les aires géographiques où une plus forte diversité de Frankia était attendue, dans la zone d'origine de l'aulne et ses refuges glaciaires. Dans un second temps, nous avons étudié l'influence du partenaire végétal dans la distribution observée des Frankia Sp+ et l'implication du trait Sp+ dans la capacité d'association à l'hôte. Des croisements expérimentaux ont été réalisés au laboratoire afin de découpler les effets de l'espèce-hôte et du climat, et tester les implications du trait Sp+ en termes d'infectivité, compétitivité et spectre d'hôte. Enfin, nous avons étudié les conséquences écosystémiques de l'expansion subalpine du complexe symbiotique Alnus/Frankia, au niveau de la diversité microbienne et du fonctionnement du cycle de l'azote, en fonction du phénotype de sporulation des souches associées. Des analyses pédologiques, en association avec des mesures de nitrification, dénitrification et fixation d'azote, ainsi que des analyses de diversité microbienne (globale et fonctionnelle), ont été réalisées dans différentes aulnaies Sp+, Sp- ou mixte, à différents stades de colonisation de l'aulne. Les résultats obtenus démontrent une prédominance des souches Sp+ associées aux espèces d'aulne des milieux froids sur les 3 continents de la zone Holarctique, avec une diversité nouvelle dans l'aire d'origine et les zones refuges de l'aulne. Les croisements effectués révèlent une infectivité et compétitivité plus forte des Sp+ par rapport aux Sp-. De plus, contrairement aux Sp- à spectre d'hôte très large, les Sp+ présentent un spectre limité entraînant des incompatibilités d'association suggérant une dépendance forte à une espèce-hôte donnée. Les modifications des communautés microbiennes du sol en réponse à l'expansion du complexe symbiotique Alnus/Frankia ont été démontrées, en lien avec la stimulation du cycle de l'azote dans les milieux sub-/alpins. Les premiers résultats sur l'efficience comparée de la fixation d'azote in natura des souches Sp- par rapport aux Sp+ suggèrent que 100% de l'azote de l'aulne est obtenu par le biais de la fixation. Aucun patron n'est mis en évidence entre souches Sp+ et Sp-, suggérant un effet plus complexe de la saisonnalité, de l'âge de l'arbre et de celui de la nodosité. Les résultats obtenus nous permettent de mieux appréhender les facteurs guidant la biogéographie de Frankia et de discuter de l'évolution de ces patrons de distribution en réponse au réchauffement climatique / Microbial biogeography would be based on the ability of microorganisms to disperse across time and space, as a function of abiotic factors such as soil properties, climate, and of biotic interactions, in particular with the host in the case of symbionts, but also on life history traits such as the ability to sporulate. Frankia sp. is a spore-forming and nitrogen-fixing actinobacterium that has a complex biogeography given its abilities for both saprophytic life and root symbiotic interaction with actinorhizal plants such as alders (Alnus, Betulaceae). Two distinct groups of Frankia lineages have been described according to a major phenotypic divergence, based on the presence (Sp+) or the absence (Sp-) of spores in planta.. To the best of our knowledge, this endophytic sporulation is an original trait in a symbiotic context and very little is known about its incidence in Frankia biogeography. This work integrates descriptive and experimental approaches on both field and laboratory areas, in order to improve the understanding of the ecological role of Frankia in planta sporulation. First, we have extended the description of the phylobiogeography of Sp+ Frankia strains to validate the previously proposed distribution pattern focused on cold environements at high altitude or high latitude. A phylogeny has been computed using a large number of nodular strains coming from the 3 continents of the Northern Hemisphere and 10 different Alnus species. Special attention was paid to geographic areas where a higher diversity was expected, in Asia, and in its glacial refuges. Second, we studied the influence of the host-plant on the distribution of Fankia Sp+ and the incidence of Sp+ in the symbiotic interaction. Experimental crosses have been performed to disentangle host and climate effects and to test the incidence of the Sp+ trait in terms of infectivity, competitiveness and host-range. Finally, we studied the ecological consequences of the Alnus/Frankia symbiotic complex, on the microbial diversity and on the nitrogen cycle functionning, with respect to the sporulation of Frankia and to the Alnus expansion on sub-/alpine grasslands. Soils analyses were performed in association with measures of nitrification and denitrification, as well as global and functional microbial diversity analyses, in Sp+, Sp- or mixed alder stands and at different colonization stages. In each part of this work, alder ectomycorhizae were analyzed to compare the distribution pattern between the two symbionts and to highlight potential interactions with the Sp+ trait of Frankia. Our results show the dominance of Sp+ strains in nodules of alder species from cold environments over the 3 continents of the Holarctic zone, with original diversity patterns in alder area of origin and in glacial refuges. Even if these strains are genetically homogenous, host-specific clusters were observed in the phylogeny. Crosses revealed that Sp+ strains were more infective and competitive than Sp- strains. Moreover, unlike Sp- strains that harbor a wide host-range, Sp+ strains have a narrower specificity leading to association’s incompatibilities and suggesting strong host dependence. For the first time, modifications of microbial communities were revealed in response to the Alnus-Frankia symbiotic complex colonization and were linked to a stimulation of the nitrogen cycle in the sub-/alpine grasslands. The first comparative results of nitrogen fixation between Sp+ and Sp- strains in natura suggest a maximal efficiency of fixation, representing almost 100% of the alder nitrogen. However, unlike previous reports in literature, no pattern was observed between Sp+ and Sp- strains, suggesting a complex effect of seasonality, alder age as well as that of nodules. Altogether, the previous results contribute to a better understanding of the Frankia biogeography drivers and allow us to discuss the expected evolution of distribution pattern in response to the global warming

Mon sujet de thèse intègre l’un des projets globaux de l’UMR UFC/CNRS 6249 Chrono-Environnement intitule « stratégies de phytoremédiation basées sur l’utilisation d’arbres et de microorganismes associés », qui s’appuie, entre autre, sur 2 projets de recherche :• le projet PROLIPHYT (programme Eco-Industrie, 2013-2018, ADEME) intitulé « PROduction de LIgneux PHYtoremédiants»,• le projet PHYTOCHEM (ANR CD2i, 2013-2018) intitulé « Développement de procédés chimiques éco-innovants pour valoriser les biomasses issues des phytotechnologies ».Les objectifs généraux sont d’améliorer le potentiel de phytoremédiation d’un panel d’espèces ligneuses et de développer le potentiel microbien pour une phytoremédiation aidée sur sol contaminé. En plus de limiter l’impact des polluants, cette stratégie vise à promouvoir la production de biomasse sur sols délaissés et non exploitables par l’agriculture, tout en assurant la biodiversité nécessaire à la restauration d’un écosystème anthropogénique.Mon travail de thèse est financé au travers un contrat doctoral ministériel handicap (dyslexie). Il s’appuie sur la réhabilitation de deux zones de stockage de sédiments industriels, utilisés jusque dans les années 2000. Ces deux sites expérimentaux (site INOVYN de St Symphorien-sur-Saône en Côte d’Or, site CRISTAL de l’Ochsenfeld en Alsace) présentent des caractéristiques physico-chimiques très particulières qui en font des lieux d’étude privilégiés. Le premier est une ancienne lagune de décantation dont les sédiments enrichis en Hg, Ba et As proviennent du traitement des eaux usées issues du procédé d’électrolyse à Hg de l’entreprise SOLVAY. Le second est une lagune constituée d’un remblai dans lequel ont été stockés depuis les années 1930, les résidus d’extraction du dioxyde de titane de l’Usine CRISTAL de Thann. A l’inverse du premier site expérimental, on observe une flore peu abondante qui se traduit par un développement hétérogène d’une espèce ligneuse principale, le bouleau.La recolonisation naturelle et spontanée de végétaux, plus particulièrement d’espèces ligneuses sur les deux sites est sans doute le résultat d’étroites collaborations avec des microorganismes telluriques situés aux abords de leur système racinaire. Nous avons ainsi choisi de travailler sur 3 espèces pionnières qui se sont naturellement réimplantées sur les deux sites d’études : le saule et le peuplier pour la friche industrielle de Tavaux et le bouleau pour l’unité de traitement des effluents du site de l’Ochsenfeld. / AbstractMy thesis subject includes one of the global projects of the UMR UFC/CNRS 6249 Chrono-Environnement entitled "phytoremediation strategies based on the use of trees and associated microorganisms", which is based, among other things, on 2 research projects:• the PROLIPHYT project (Eco-Industry programme, 2013-2018, ADEME) entitled "Production of woody phytoremediants",• the PHYTOCHEM project (ANR CD2i, 2013-2018) entitled "Development of eco-innovative chemical processes to exploit biomasses from phytotechnologies".The general objectives are to improve the phytoremediation potential of a panel of woody species and to develop the microbial potential for assisted phytoremediation on contaminated soil. In addition to limiting the impact of pollutants, this strategy aims to promote the production of biomass on land abandoned and not exploitable by agriculture, while ensuring the biodiversity needed to restore an anthropogenic ecosystem.My thesis work is financed through a ministerial doctoral contract for disability (dyslexia). It is based on the rehabilitation of two industrial sediment storage areas, used until the 2000s. These two experimental sites (INOVYN site of Saint-Symphorien-sur-Saône in Côte-d'Or, CRISTAL site of Ochsenfeld in Alsace) present very particular physico-chemical characteristics which make them privileged places of study. The first is a former settling lagoon whose sediments enriched in Hg, Ba and As come from the treatment of wastewater from SOLVAY's Hg electrolysis process. The second is a lagoon consisting of a backfill in which the titanium dioxide extraction residues from the CRISTAL Thann Plant have been stored since the 1930s. In contrast to the first experimental site, there is a low abundance of flora which results in heterogeneous development of a main woody species, the birch.The natural and spontaneous recolonisation of plants, more particularly woody species on both sites, is undoubtedly the result of close collaboration with telluric microorganisms located near their root systems. We have thus chosen to work on 3 pioneer species that have naturally relocated to the two study sites: willow and poplar for the industrial wasteland of Tavaux and birch for the effluent treatment unit at the Ochsenfeld site.