Frankia est une actinobactérie capable d'établir une symbiose racinaire avec les plantes actinorhiziennes dont le genre Alnus. Seulement certaines souches de Frankia sont capables de sporuler in planta, ce qui est illustré par la présence (Sp+) ou l'absence (Sp–) de sporanges dans les cellules végétales de la nodosité. C’est à notre connaissance un cas unique de sporulation endophyte. Cependant la description et l’interprétation écologique de ce trait d’histoire de vie (THV) original étaient incomplètes. Notre contribution à l’étude de la sporulation in planta des Frankia infectives de l’aulne intègre des approches théorique, descriptive et expérimentale, pour préciser (i) l’influence relative de la souche bactérienne, de l’espèce de la plante-hôte et des conditions pédoclimatiques sur ce THV, (ii) le rôle de la variabilité environnementale sur la distribution, la diversité et la sélection du trait, ainsi que (iii) les coûts et bénéfices associés pour les deux partenaires. Nous avons démontré pour la première fois que la sporulation in planta est un THV (i) spécifique de certaines lignées de Frankia, (ii) majeur pour en comprendre l'histoire évolutive et (iii) significativement corrélé à des caractéristiques génétiques des souches. Nous avons également confirmé que l’occurrence du trait varie selon l’environnement. Nous avons enfin établi un modèle de l'évolution du trait abordant sa valeur adaptative. L’ensemble des réflexions menées et des résultats obtenus nous permet de discuter de la sporulation in planta dans le cadre d’un continuum de stratégies symbiotiques, et plus généralement de discuter de l’écologie évolutive des symbioses entre microorganismes et plantes / Frankia sp. is a telluric actinobacteria able to establish a root symbiosis with actinorhizal plant such as Alnus sp. Only some Frankia strains are able to sporulate in-planta, as spores can be present in (Sp+) or absent from (Sp–) the vegetal cells of the root nodule. It is to our knowledge a unique case of endophytic sporulation. However, the description and the ecological interpretation of this original life-history trait (LHT) were scarce. Our contribution to the study of the in-planta sporulation of Alnus-infective Frankia sp. combines theoretical, descriptive and experimental approaches to precise (i) the relative effect of the bacterial strain, the host-plant species and the pedoclimatic conditions on this LHT, (ii) the effect of the of the environmental variability on the distribution, diversity and selection of the trait, and (iii) the associated costs and benefits for the two symbiotic partners. We demonstrated for the first time that the in-planta sporulation is a LHT (i) specific to some Frankia lineages, (ii) major to understand their evolutionary history and (iii) significantly correlated to particular genetic features. We also shown that the occurrence of the trait varies according to the environment We also proposed a model of the evolution of the trait taking its fitness into account. We bring all the previous considerations and results to discuss the inplanta sporulation trait within a continuum of symbiotic strategies and more generally to discuss the evolutionary ecology of plant-microbe symbioses

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

In the nutrient-poor soils characteristic of coastal environments, symbiotic association with the nitrogen-fixing root endosymbiont Frankia is essential to establishment and survival of the woody shrub Morella cerifera. Nutrient deficiency quickly becomes severe unless seedlings are infected by Frankia soon after germination. However, the means of arrival of Frankia prior to shrub establishment has not been determined. Using sterilized lab-grown M. cerifera seedlings and fecal samples collected from passerine birds on the Eastern Shore of Virginia, viability of avian dispersal of the bacteria was tested. Although passerine fecal samples did produce nodules on some sterilized M. cerifera seedlings, these experimental inoculations did not lead to significantly higher likelihood of nodulation, relative to sterilized reference seedlings. Non-sterilized seedlings displayed greatest percent nodulation; results suggest that passerines contribute to Frankia dispersal, but also that the actinomycete is contained on or within viable seeds or fruits of M. cerifera, and therefore may be co-dispersed directly from the parent plant.

The depiction of the phylogenetic structure of the genus Frankia is still troublesome and the evolutionary forces guiding the speciation, dispersion and diversity are not well documented. The current phylogeny has been defined on the basis of the comparative analysis of the 16S rRNA gene sequence while de genomospecies definition is still subjected to DNA-DNA hybridization trials. Aiming to bring to light the genomic variability of the genus and its translation into the ecological and specific diversity, our studies consisted in, firstly, evaluating the specific diversity within the genus and the ability of the Amplified Fragment Length Polymorphism technique (AFLP) to describe Frankia genomospecies and their phylogenetic liaisons. Moreover this technique was also tested for the study of the non isolated Frankia directly in the actinorhizal nodules. Secondly, we defined a MLSA (Multilocus Sequence analysis) scheme which allowed us to establish a phylogeny of the genus by using a hundred of strains and for the first time to describe the phylogenetic divergence of a group of non culturable strains exhibiting the particular ability (phenotype) of sporulating in planta (Sp+). The Sp+ strains are distributed into two divergent clades whose structure is highly correlated to the host genotype. The importance of genetic markers having impact over ecology of the strains has been revised. In this regard we have studied the phylogenetic analysis and the occurrence of the genetic components for the siderophore production and of the sodF gene in Frankia.

Les plantes actinorhiziennes appartiennent à 8 familles d'angiosperme et forment une symbiose fixatrice d'azote avec l'actinomycète du sol Frankia qui aboutit à la formation de nodules au niveau du système racinaire de la plante. Le nodule actinorhizien est considéré comme une racine latérale modifiée car i) il provient de divisions des cellules du péricycle situées en face du pôle de xylème, ii) il possède un méristème apical et un système vasculaire central et iii) chez certaines espèces comme Casuarina glauca une racine nodulaire est produite à l'apex de chaque lobe nodulaire. L'auxine, et notamment le transport d'influx, est impliquée dans la mise en place de la racine latérale. Nous avons donc identifié des gènes de transporteurs d'influx d'auxine chez la plante actinorhizienne C. glauca et étudié le rôle du transport d'influx au cours de la mise en place du nodule actinorhizien.<br />Deux gènes de la famille AUX-LAX codant des transporteurs d'influx d'auxine ont été identifiés C. glauca. Les profils d'expression des gènes CgAUX1 et CgLAX3 sont très conservés entre C. glauca et Arabidopsis thaliana. De plus, des analyses fonctionnelles par complémentation de mutants d'A. thaliana ont mis en évidence une équivalence entre CgAUX1 et AtAUX1. Nos études suggèrent également qu'il existe une divergence fonctionnelle au sein de la famille AUX-LAX.<br />Nous avons analysé le rôle de ces gènes au cours de la mise en place de la symbiose. Notre étude montre que le gène CgAUX1 est exprimé dans les cellules infectées tout au long de l'infection. De plus, le rôle du transport d'influx d'auxine dans le mécanisme d'infection a été confirmé par l'utilisation d'un inhibiteur du transport d'influx. Par ailleurs, le gène CgAUX1 est exprimé dans le primordium de racine latérale mais pas dans le primordium nodulaire. Cela suggère que ces deux organes présentent des différences dans leur programme de développement.<br />Afin d'identifier les mécanismes agissant en aval du transport d'influx d'auxine, nous avons étudié le rôle d'AtLAX3 chez Arabidopsis. Nous avons montré qu'un certain nombre de gènes de remodelage de la paroi sont induits par l'auxine de façon dépendante d'AtLAX3 au cours de l'émergence de la racine latérale. Nous avons cherché à identifier des gènes de remodelage de la paroi qui pourraient être impliqués dans l'infection par la bactérie Frankia de façon dépendante de CgAUX1. Cg12 qui code une protéase de type subtilisine spécifiquement exprimée dans les cellules infectées pourrait être une cible de la signalisation auxinique dépendante de CgAUX1.<br />Nos résultats suggèrent que le transport d'influx d'auxine est impliqué dans la mise en place du nodule actinorhizien chez C. glauca.

Les plantes actinorhiziennes sont des non légumineuses appartenant à 8 familles d'angiospermes qui peuvent établir une symbiose fixatrice d'azote avec l'actinomycète du sol Frankia. Cette interaction aboutit à la formation de nodules au niveau du système racinaire de la plante. Parmi les gènes qui interviennent au cours des étapes précoces de la symbiose figure Cg12, un gène isolé chez l'arbre actinorhizien Casuarina glauca qui code une protéase à sérine de la famille des subtilisines (=subtilase). L'objectif de ce travail est la poursuite de la caractérisation de ce gène à travers 4 approches :<br />(1) Une étude détaillée du profil d'expression de Cg12 a été réalisée grâce à l'utilisation de Casuarinacées transgéniques contenant des fusions transcriptionelles entre le promoteur de Cg12 et des gènes rapporteurs. Cette analyse a permis de montrer que l'expression de Cg12 est spécifiquement liée à l'infection des cellules par Frankia et qu'elle débute dès les premières étapes de la symbiose, quand Frankia pénètre dans des poils absorbants déformés. <br />(2) La protéine CG12 a été mise en évidence dans des extraits protéiques de C. glauca en utilisant des anticorps anti-CG12. Ces anticorps ont également été utilisés dans des expériences d'immunolocalisation, ce qui nous a permis de montrer que CG12 se retrouve dans le compartiment extracellulaire, au niveau des parois et du matériel polysaccharidique qui entoure Frankia. <br />(3) Nous avons introduit les fusions transcriptionelles Cg12-gène rapporteur dans la plante modèle Arabidopsis thaliana afin d'analyser les voies de transduction impliquées dans l'expression de Cg12. Cependant aucune expression des gènes rapporteurs n'a pu être détectée au cours du développement et en réponse à des traitements hormonaux. Nous avons également utilisé Arabidopsis afin de mieux comprendre le rôle d'Ara12, un gène de subtilase proche de Cg12, dont nous avons analysé le profil d'expression chez Arabidopsis.<br />(4) Nous avons étudié l'implication de subtilases dans la symbiose fixatrice d'azote entre la légumineuse Medicago truncatula et Sinorhizobium meliloti. Pour cela nous avons analysé le profil d'expression des gènes rapporteurs placés sous le contrôle du promoteur de Cg12 dans des plantes transgéniques de M. truncatula. La conservation du profil d'expression de Cg12 chez M. truncatula suggère l'existence d'une voie de transduction indépendante de celle qui est activée par les facteurs Nod. Cette voie de transduction est activée dans les deux systèmes symbiotiques en réponse à l'infection par les bactéries. Nous avons ensuite analysé le profil d'expression de plusieurs gènes de subtilases trouvés dans les banques de séquences de M. truncatula. Trois de ces gènes spécifiquement exprimés dans les nodules pourraient être des orthologues de Cg12 chez M. truncatula.

All the eighteen Frankia strains isolated from ten different actinorhizal host plants showed uptake hydrogenase activity. The activity of this enzyme is further increased by addition of nickel. Nickel also enhanced the degree of hydrogenase transfer into the membranes of Frankia, indicating the role of this metal in the processing of this enzyme. The uptake hydrogenase of Frankia is most probably a Ni-Fe hydrogenase. Genome characterization revealed the presence of two hydrogenase genes (syntons) in Frankia, which are distinctively separated in all the three available Frankia genomes. Both hydrogenase syntons are also commonly found in other Frankia strains. The structural, regulatory and accessory genes of both hydrogenase synton #1 and #2 are arranged closely together, but in a clearly contrasting organization. Hydrogenase synton #1 and #2 of Frankia are phylogenetically divergent and that hydrogenase synton #1 is probably ancestral among the actinobacteria. Hydrogenase synton #1 (or synton #2) of Frankia sp. CcI3 and F. alni ACN14a are similar in gene arrangement, content and orientation, while the syntons are both reduced and rearranged in Frankia sp. EANpec. The hydrogenases of Frankia sp. CcI3 and F. alni ACN14a are phylogenetically grouped together but never with the Frankia sp. EAN1pec, which is more closely related to the non-Frankia bacteria than Frankia itself. The tree topology is indicative of a probable gene transfer to or from Frankia that occurred before the emergence of Frankia. All of the available evidence points to hydrogenase gene duplication having occurred long before development of the three Frankia lineages. The uptake hydrogenase synton #1 of Frankia is more expressed under free-living conditions whereas hydrogenases synton #2 is mainly involved in symbiotic interactions. The uptake hydrogenase of Frankia can also be manipulated to play a larger role in increasing the efficiency of nitrogen fixation in the root nodules of the host plants, there by minimizing the need for environmentally unfriendly and costly fertilizers. The hydrogen-evolving hydrogenase activity was recorded in only four Frankia strains: F. alni UGL011101, UGL140102, Frankia sp. CcI3 and R43. After addition of 15mM Nicl2, activity was also detected in F. alni UGL011103, Frankia sp. UGL020602, UGL020603 and 013105. Nickel also increased the activity of hydrogen-evolving hydrogenases in Frankia, indicating that Frankia may have different types of hydrogen-evolving hydrogenases, or that the hydrogen-evolving hydrogenases may at least be regulated differently in different Frankia strains. The fact that Frankia can produce hydrogen is reported only recently. The knowledge of the molecular biology of Frankia hydrogenase is, therefore, of a paramount importance to optimize the system in favor of hydrogen production. Frankia is an attractive candidate in search for an organism efficient in biological hydrogen production since it can produce a considerable amount of hydrogen.

Tailings are the waste produced as a result of the extraction of oil from the tar sands in northern Alberta. Many avenues for the reclamation of tailings are being researched, but one area that has received little attention is phytoremediation. The Alder-Frankia symbiotic relationship in the tailings was investigated for its potential in revegetation and remediation of the tailings. Two species of alders were examined Alnus glutinosa and A. rugosa. The impact of the alders was monitored through the investigation of the differences in the microbial community present in the oil sands tailings and composite tailings (CT) with and without alders. For our investigation we used culture dependent techniques (plate counts and mineralization assays) and culture independent techniques (16S rRNA gene PCR, catabolic PCR and DGGE). The alders lowered the pH of the tailings, increased rates of mineralization, increased the general microbial population in the tailings by one to two orders of magnitude and increased the microbial diversity. / A. rugosa however, had a greater impact on the mineralization of poly aromatic hydrocarbons (PAHs) and, being native to Alberta, was chosen for further experimentation, using only composite tailings. The aim of the experiments was to determine the effect of a Frankia inoculum on the growth of A. rugosa in (CT) and the associated microbial community. The microflora in the bulk soil, rhizosphere and inside the root of inoculated and non-inoculated A. rugosa were compared through microbial enumerations of the community, with general and selective media and mineralization assays. A. rugosa inoculated with Frankia was taller and the roots were more developed and the endophytic community of inoculated A. rugosa had greater rates of naphthalene mineralization. / The results indicate that A. rugosa inoculated with Frankia could be used for the phytoremediation of tailings and for the re-establishment of a forest ecosystem.

No description available.

Sustainable landscaping includes utilization of plants requiring few inputs. We chose four species showing potential for use in arid landscapes: Purshia mexicana, Shepherdia argentea, Shepherdia rotundifolia, and Alnus maritima. We sowed seeds of S. rotundifolia, S. argentea and P. mexicana in three substrates with various water-holding properties due to differing amounts of organic matter (OM). S. rotundifolia germination was maximized in a calcined clay (66.2%) containing no OM and had low germination (12.7 - 21.8%) in the other substrates. S. argentea germination (42.3 to 53.7%) was similar in all substrates. Poor seed quality of P. mexicana resulted in inconclusive results. Our results suggest that germination of some species is enhanced by substrates with excellent drainage properties. We also investigated effects of different rates of controlled-release fertilizer (CRF) on symbiotic nodule formation in seaside alder. We found that lower than prescribed rates of CRF enhanced nodulation without compromising nitrogen status.