Thesis (M.S.) in Botany and Plant Pathology--University of Maine, 2002. / Includes vita. Includes bibliographical references (leaves 74-82).

Inoculation trials were set up in fumigated nursery beds for red alder (Alnus rubra Bong.) seedling production. Frankia inoculum was applied in eight treatments: control, nodule suspension, and three levels of cell suspension (strain ArI5) applied with and without a peat carrier. Seedlings were evaluated at midseason and lifting. The peat inoculum treatment produced larger seedlings than the other treatments, both at mid-season and at lifting. The other treatments had little effect on growth. Size differences paralleled differences in degree of nodulation. Differences in percentage of seedlings nodulated were most pronounced at midseason, indicating that the inoculation conferred primarily an early-season advantage. In a second nursery experiment, Frankia inoculum was applied in a peat mix carrier, in four treatments: uninoculated control, strain ArI5, strain AvcI1, and combined dual-inoculum. Seedlings were evaluated at midseason and at lifting. Frankia DNA from nodules was analyzed by DNA fingerprinting. The controls were poorly nodulated and grew slowly. The single strain inoculum for ArI5 produced larger seedlings than for AvcI1, both at mid-season and at lifting. The dual-inoculum treatment produced larger seedlings than all other treatments. The AvcI1 single-inoculum nodules primarily produced fingerprints identical to AvcI1, but nodule fingerprints from all other treatments were dominated by ArI5 patterns. In a field experiment, nodulation capacity was determined for soils from red alder stands in the Oregon coast range covering a wide span of ages. Total nitrogen, total carbon, nitrate, ammonium and pH were measured on the same soil samples. Soil pH was most highly correlated with nodulation potential, with nitrate content also significant. Cluster analysis of the sites using these two variables produced two groups with distinctly different nodulation capacities. The higher capacity cluster was lower in nitrate and higher in pH than the majority of sites in the lower capacity cluster. There was general overlap in the age ranges for the two groups but the lower capacity cluster contained the oldest sites. / Graduation date: 2002

Frankia from root nodules of nine different species of Ceanothus were characterized. DNA was amplified directly from nodular material using the polymerase chain reaction (PCR). The amplified region includes the 3' end of the 16S rRNA gene, the intergenic spacer (IGS), and a large portion of the 23S rRNA gene. Restriction enzyme digestions of PCR products allowed us to designate PCR-RFLP groups among the Ceanothus-infective Frankia tested. The groupings did not follow the taxonomic lines of the Ceanothus host species. Instead, the Frankia strains present followed a geographical pattern. This information was used to choose representative Ceanothus-infective Frankia for phylogenetic analysis. Full-length 16S rDNA sequences were amplified directly from the nodules of two Ceanothus species using the PCR. Sequences were determined using an automated sequencer, compared against GenBank, and assembled into consensus sequences. The sequences were aligned with other full-length Frankia 16S rDNA sequences available from the database. Phylogenetic trees were obtained from three different algorithms: neighbor joining, parsimony, and the maximum-likelihood method. These Ceanothus microsymbionts appear to be most closely related to the microsymbiont associated with Dryas drummondii using all three methods. / Graduation date: 1998

Thesis (M.S.)--Oregon State University, 1990. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (leaves 23-24). Also available on the World Wide Web.

The evolutionary relationship between Frankia and actinorhizal plants was evaluated by reconstructing molecular phylogenetic trees from nifH, 16S rDNA, and rbcL nucleotide sequences. Subgroupings in Frankia phylogenetic trees reconstructed from nifH and from 16S rDNA sequences were consistent in terms of plant origins of Frankia strains. Although the branching order of Frankia 16S rDNA and plant rbcL trees were different, subgroupings of Frankia and of plants correlated well in terms of symbiotic partnership. Tree matching, estimated divergence times, and molecular clock hypothesis tests indicated that Frankia clades diverged more recently than plant clades and that actinorhizal symbioses originated more than three times after the plant clades diverged. A phylogenetic tree of Ceanothus species, which are symbiotic partners of Frankia, was reconstructed using ndhF gene sequences. The analysis identified two main clades corresponding to two subgenera: Ceanothus and Cerastes. The analysis also suggested that three monophyletic clades within the subgenus ceanothus can be delimited on the basis of vegetative characters. Based on rbcL sequences, the two subgenera diverged 18-39 million years ago whereas species within each subgenus diverged more recently. These results support the current division of Ceanothus into two monophyletic subgenera and agree with the postulated recent divergence of many species within each subgenus. Specificity between Ceanothus species and their Frankia microsymbionts was evaluated by analysis of DNA in nodules collected from three copopulations of Ceanothus species. Sequencing of the intergenic spacer region between 16S and 23S rRNA genes suggested that Ceanothus-microsymbiont Frankia are closely related. Nodules were further analyzed by genomic fingerprinting using repetitive sequences and PCR (rep-PCR). A newly designed, direct repeat sequence and a BOX sequence showed that Ceanothus-microsymbiont Frankia exhibited less diversity within each copopulation than among copopulations. Furthermore, geographic separation was a more important factor for divergence of Ceanothus-microsymbiont Frankia than host plant. The population of Ceanothus-infective Frankia in soils under stands of Ceanothus velutinus and Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), a non-host plant, were compared. The population sizes were measured using plant bioassay methods with C. velutinus, C. sanguineus, and C. integerrimus as trap plants. Population size in soil under C. velutinus was about 10 times higher than that under the Douglas-fir. Nodulation capacities of the three trap plants were not significantly different. The diversity of Frankia nodulating trap plants was examined using rep-PCR. Results suggested that infective Frankia is not species-specific with regard to the three Ceanothus species used as trap plants and that although the degree of diversity was similar in both soils, the two populations consisted of different Frankia. / Graduation date: 1998

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2003. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 145-153).

Thesis (Ph. D.)--Oregon State University, 1998. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references. Also available on the World Wide Web.

Frankia est une bactérie filamenteuse du sol capable d'établir une symbiose racinaire, analogue à celle de Rhizobium et des légumineuses, avec plus de 200 espèces d'angiospermes. Cette symbiose actinorhizienne fournit de 70 à 100 % de l'azote requis par la plante. Les aulnes sont des plantes actinorhiziennes reconnues pour leur habilité à coloniser des sols pauvres en azote affectés par des processus naturels ou par l'action des humains. En Alberta, on retrouve de grandes réserves de pétrole sous forme de sable bitumineux qui nécessitent l'excavation du sol pour leur extraction. L'exploitation des sables bitumineux en Alberta a perturbé à ce jour une superficie de plus de 420 km2. Il est estimé que la superficie d'exploitation totale est de 15 000 km2. Un des défis majeurs de cette industrie est de gérer la toxicité des sables résiduels, les sables issus du processus de purification du bitume, qui sont alcalins, salins et contiennent des acides naphténiques. Dans cet ouvrage, on a identifié deux souches (AvcI1 et ACN14a) de Frankia sp. étant aptes, au niveau de leur tolérance aux sables résiduels, à une utilisation dans une technologie de biorémédiation. Basé sur un modèle de revégétalisation par la régénération de la litière du sol, nos résultats suggèrent l'utilisation préférentielle de l'aulne rugueux comparativement à l'aulne crispé. Nos résultats démontrent que Frankia spp. est plus tolérant que son hôte, l'aulne, face aux stress exercés par les sables résiduels. Il a été observé que le NaC1 semble être l'agent le plus stressant des sables résiduels sur la symbiose aulne-Frankia sp. souche ACN14a. On a démontré que Frankia sp. souche ACN14a tolère les acides naphténiques et est capable de proliférer en leur présence. De plus, elle module son expression protéique entre autres en surexprimant des protéines impliquées dans le métabolisme des acides gras en présence de ces acides naphténiques, suggérant une modification de la composition et structure de sa membrane. Finalement, une bonne sélection du microsymbiote et plus particulièrement de l'hôte, l'aulne, combinée à une caractérisation de la performance de la symbiose en conditions contrôlées est une approche qui permettra d'établir une technique de biorémédiation optimisée pour un contexte spécifique comme celui des sols bitumineux de l'Alberta.

Selon un inventaire réalisé en 2013 par le Ministère des Ressources naturelles du Québec, la Belle Province compterait sur son territoire 698 sites miniers orphelins qui nécessitent des travaux de réhabilitation. Depuis 1995, Québec exige qu’un plan de restauration soit établi avant même que les travaux d’exploitation ne débutent sur un site minier. Ces plans doivent inclure une mise en végétation afin de redonner au site un aspect plus naturel et de limiter la dispersion des résidus par le vent. À ces fins, l'usage de plantes herbacées ou d’arbustes indigènes est recommandé. La mine Sigma, à Val-d’Or, a été exploitée de façon discontinue depuis 1930. Durant le processus d’extraction de l’or, le minerai était broyé en fines particules qui étaient ensuite rejetées sous forme de boue vers de gigantesques bassins (le parc à résidus). Lorsque séchés, ces résidus sont susceptibles d’être balayés par le vent vers le centre-ville situé à proximité. Dans une optique de revégétalisation, les principaux défis que représentaient ces résidus étaient leur faible teneur en matière organique et en nutriments ainsi que leur nature alcaline. Les aulnes, des arbustes résilients apparaissant naturellement lors d’une succession autogénique primaire, ont déjà été employés avec succès à des fins de mise en végétation de sites perturbés par les activités humaines. Grâce à leurs associations symbiotiques multiples, ils sont en mesure de coloniser des sites perturbés. Les aulnes peuvent obtenir de 70 à 100% de l’azote dont ils ont besoin lorsqu’ils sont en symbiose avec Frankia, un actinomycète fixateur d’azote. Cela leur permet de s’établir dans des sols pauvres qu’ils pourront par la suite enrichir en azote, notamment via la perte de leurs feuilles. Ces arbustes peuvent aussi former des endomycorhizes et des ectomycorhizes. Il semblerait que les relations entre les différents symbiotes et leur hôte puissent varier selon les conditions expérimentales, mais le fait de pouvoir bénéficier d’associations multiples serait possiblement une stratégie favorisant le développement de l’hôte dans des environnements extrêmes. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale visait à évaluer le réalisme d’une démarche où les aulnes seraient employés à des fins de revégétalisation des résidus de la mine Sigma. Des aulnes de deux espèces indigènes, Alnus viridis (Chaix) DC. ssp. crispa et Alnus incana (L.) Moench ssp. rugosa, ont été exposés à ces résidus. Les plants à l’étude étaient inoculés ou non avec Frankia, des champignons endomycorhiziens et des champignons ectomycorhiziens. Un premier volet expérimental avait pour but d’évaluer l’effet individuel que chacun des microorganismes aurait sur les aulnes exposés aux résidus aurifères et de vérifier si la combinaison de ces microorganismes pouvait influencer le développement et la survie de ces plants. L’hypothèse de recherche était que la symbiose mycorhizienne augmenterait la capacité des aulnes à entretenir la symbiose actinorhizienne en présence de résidus aurifères. Dans des conditions axéniques, les aulnes ont été cultivés en présence de différentes concentrations de résidus aurifères et ont été inoculés selon plusieurs régimes distincts. Chez les plants témoins poussant en sable, la symbiose actinorhizienne était fonctionnelle, mais en présence des résidus aurifères, son établissement n’a pas pu se faire convenablement. Malheureusement, aucune mycorhize n’a pu être observée, faisant en sorte que l’hypothèse n’a pas pu être testée. Un volet exploratoire devait permettre de déterminer si l’établissement de la symbiose ectomycorhizienne, endomycorhizienne ou actinorhizienne était influencé par la présence préalable de l’une ou l’autre de ces symbioses. Des dispositifs bicompartimentés dans lesquels les plants étaient cultivés dans un mélange de sable et de résidus aurifères étaient employés pour ce volet. Cette expérience était la première du genre employant des plantes actinorhiziennes en conditions axéniques. La présence des résidus n’a pas empêché l’établissement d’une symbiose actinorhizienne fonctionnelle. Malencontreusement, les plants inoculés avec des mycorhizes n’ont pas été colonisés dans cette expérience non plus. Enfin, une dernière expérience devait permettre d’évaluer la performance des plants d’aulnes sur le terrain, l’hypothèse étant que les aulnes allaient croître sur les résidus miniers et que les plants inoculés auraient une meilleure survie et un meilleur développement que ceux qui ne l’étaient pas. Dans cette expérience, c’est seulement lors du premier été de croissance sur le terrain que l’inoculation faisait une différence. En effet, à la fin de la première saison sur le site de la mine Sigma, les plants de A. crispa innoculés avec Frankia avaient une meilleure survie alors que les plants de A. rugosa inoculés avec Frankia et les deux types de mycorhizes avaient un meilleur développement. Après le premier hiver, autant pour les plants de A. rugosa que pour les plants de A. crispa, le développement et la survie n’étaient plus influencés par le régime d’inoculation. Cela suggère que c’est surtout lors du premier été que le régime d’inoculation a joué un rôle déterminant dans la survie et le développement de ces plants. En bref, la souche de Frankia AvCI1 s’est montrée effective en présence de résidus aurifères dans des expériences en conditions axéniques. Cette même souche a été employée pour inoculer les plants destinés à être plantés sur le site minier et a avantagé les plants de A. crispa au niveau de leur survie pendant le premier été. Les plants de A. rugosa inoculés avec des mycorhizes et cette même souche ont développé plus de biomasse que les autres plants de la même espèce pendant ce premier été. Après ce premier été, la survie des plants était bonne, peu importe le régime d’inoculation, et les plants ont continué de se développer. L’emploi des aulnes mycorhizés et actinorhizés pour la revégétalisation de la mine Sigma semble donc prometteur.

I examined the effect of Frankia spp. and ectomycorrhizal fungi on green alder (Alnus viridis ssp. crispa), growing in nutrient-poor soil and saline conditions. The first experiment involved inoculating green alder growing in low fertility soil with three species of ectomycorrhizal fungi (Lactarius torminosus, Lactarius theiogalus, Hebeloma crustuliniforme) alone or in combination, with and without Frankia spp. on. Frankia spp. inoculation significantly increased plant performance compared to non-Frankia treatments. However, nodulated plant total biomass decreased with an increasing number of fungi. The second experiment examined the effect of Hebeloma crustuliniforme and Frankia spp. on green alder exposed to 0, 50 and 100 mM NaCl. Frankia spp. inoculation showed significant increase on plant performance but Hebeloma crustuliniforme did not. Plant mass, root:shoot ratio, nodule allocation and total nitrogen fixation decreased with NaCl exposure. A decrease in root:shoot ratio caused by salt was more moderate in nodulated plants compared to non-nodulated plants. / October 2016