The occurrence in Scotland of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) infective on Alnus glutinosa and the effects on early growth of inoculation of seedlings with AMF and Frankia were investigated. AMF characteristic of G/omiw-like fungi were detected microscopically in A. glutinosa roots from mineral and loam but not from highly organic soils. Both GJomus- and Gigaspora-like fungi were detected only in roots from sandy soils. Glasshouse experiments showed that Glomus and Gigaspora species gave higher colonisation of roots, and were of higher compatibility with the host plant, than Acutelospora or Scutettospora species. Colonisation by AMF increased nodulation by Frankia and vice versa. Inoculation with AMF alone and dual inoculation with Gigaspora rosea and Frankia inhibited growth of young A. glutinosa seedlings. Initially after inoculation, AMF colonisation was poor allowing the host to meet the requirements of both developing symbioses. Mycorrhizal plants inoculated with Frankia 15 days after AMF inoculation, were under significant stress and this delayed the beneficial effects of AMF and Frankia symbiosis. Seedlings compensated for the cost of symbiosis by developing a larger, leafy shoot in a period of 25-30 days after AMF inoculation, with or with out, Frankia nodulation. A significant increase in root length and branching detected after inoculation with AMF and Frankia must impose additional energy requirements. However, the stimulation of lateral root branching that follows AMF colonisation may facilitate nutrient uptake, thus helping the plant to overcome the disadvantages of early retardation of shoot growth. Competition with adjacent plant species for below ground space may also be enhanced thus facilitating competition for growing space with other plant species. These factors may be part of a strategy that assists the survival of very young seedlings in the field. The data obtained suggest that delaying Frankia inoculation for 3-4 weeks after inoculation with selected AMF should improve the production in Scottish nurseries of robust, well nodulated and mycorrhizal seedlings.

Actinorhizal plants are in symbiosis with the nitrogen-fixating soil bacterium Frankia, which forms nodules in the plant root. However, several studies also report other endophytic bacteria appearing in the nodules, but their function and interaction with the host plant or Frankia is not yet understood. This thesis used a bioinformatic approach to investigate the metagenomes of eighteen actinorhizal nodule samples to find out which bacteria are present, how the microbiomes differed from each other, and if the genomes of non-Frankia inhabitants could give indications of any functions. The results showed that the bacterial composition, richness, and diversity differed among the samples, especially between the samples sequenced from the field versus those primarily cultivated in a greenhouse. All samples had a substantial number of sequencing reads belonging to potential endophytes, such as strains of Enterobacteria, Pseudomonas, Streptomyces, Micromonospora, Mycobacteria and Pseudonocardia. There seemed to be a common microbial community shared among the plants on a family level, since no significant difference was found in the core microbiomes between the field and greenhouse groups. Some sequences found in the metagenomes were annotated as potential functions of the fellow travellers, such as antibiotic synthesis, proteins involved in regulating abiotic stresses, but also probable plant damaging compounds rather associated with pathogens than symbionts.

Alder (Alnus glutinosa L. Gaertn.) is a species of a pioneer plant usually colonizing sites in the early stage of ecological succession, such as spoil heaps after open-cast brown coal mining in the Sokolov mining district in north western Bohemia, Czech Republic. These spoil heaps are very poor in nutrients available for plants, yet alders grow in a mutualistic relationship with actinomycetes Frankia, which live in root nodules of the alder plants. Frankia are able of fixing atmospheric nitrogen (N2) to ammonia (NH3) molecules, which can be then assimilate by alders, via enzyme nitrogenase. Thus, in the early stages of succession, alders have a competitive advantage to other non- fixing plant species living only on nitrates (NO3 - ) and ammonia ions (NH4 + ) present in soils. The aim of this study was to conduct and assess two greenhouse experiments. The first experiment studied the response of alder growth to presence of Frankia and arbuscular mycorrhizal fungi of order Glomerales. The performance of alder growth was significantly higher when alders were inoculated with both Frankia and mycorrhizal fungi in comparison to when alders have grown on their own or only with a mycorrhizal symbiont - both on 14 and 60 years old soils from Sokolov mines. In the second experiment, soil pH and iron (Fe) and...

La sporulation est un phénomène présent chez de nombreux microorganismes, généralement impliqué dans les mécanismes de dispersion et/ou résistance en conditions environnementales défavorables. La sporulation observée chez certaines souches de Frankia (genre actinobactérien fixateur d'azote) lors de leur interaction symbiotique avec les plantes actinorhiziennes est donc paradoxale dans un contexte où la bactérie bénéficie d'une niche écologique favorable à son développement. Ces souches particulières de Frankia, dites Sp+, représentent un modèle unique de symbiote capable de sporulation au sein même des cellules de son hôte. Le rôle écologique et le sens évolutif de cette sporulation in-planta reste à ce jour peu élucidé. Les deux principaux objectifs de ce travail de thèse visent donc à (i) comprendre l'influence de la sporulation in-planta sur les capacités symbiotiques des souches Sp+, en termes d'infectivité et de compétitivité et (ii) appréhender l'impact de cette sporulation sur le fonctionnement du complexe symbiotique par une méthode de profilage métabolique. Ces travaux ont permis de confirmer les particularités symbiotiques des souches Sp+ (infectivité et compétitivité accrues) et de montrer des différences significatives dans le métabolisme primaire et secondaire du complexe symbiotique associées à la présence de spores de Frankia / Sporulation is a phenomenon present in many microorganisms, usually involved in the mechanisms of dispersion and/or resistance to unfavorable environmental conditions. Sporulation occurs in some Frankia strains (a diazotrophic actinobacteria) during their symbiotic interaction with actinorhizal plants, which is paradoxical in a context where the bacterium has a favorable ecological niche for its development. These particular Frankia strains, called Sp+, represent a unique model of symbiont capable of sporulation within the host cells. The ecological role and the evolutionary meanings of this in-planta sporulation still remain understood. The two main objectives of this thesis aimed to (i) understand the influence of in-planta sporulation on the symbiotic capacity of Sp+ strains in terms of infectivity and competitiveness and (ii) understand the impact of this sporulation on the functioning of the symbiotic complex by a metabolic profiling approach. These studies have confirmed the symbiotic characteristics of Sp+ strains (greater infectivity and competitiveness) and have shown significant differences in the primary and secondary metabolism of the symbiotic complex associated with the presence of Frankia spores

Les concentrations de métaux lourds retrouvées dans les sols augmentent considérablement depuis la révolution industrielle et s’accumulent quotidiennement dans la biosphère. Ces composés métalliques persisteront pendant plusieurs années au niveau des différents écosystèmes affectés et voyageront dans les chaînes alimentaires par bioaccumulation. Les activités humaines, telle que l’industrie minière contribuent activement à cette problématique environnementale. En effet, l’excavation minière perturbe la roche-mère et favorise l’oxydation des métaux lourds sulfurés qui, lentement, produiront de l’acide sulfurique. Cette acidification peut mobiliser les éléments métalliques stables en condition neutre ou alcaline. Ces phénomènes induisent la formation du drainage minier acide (DMA) qui peut contaminer les cours d’eau ou les nappes phréatiques à proximité. Plusieurs mines sont situées en Abitibi-Témiscamingue en raison de l’abondance de divers minerais dans la roche mère tels que l’or. Une importante quantité de déchets industriels est produite lors de l’excavation du minerai, dont les résidus miniers entreposés dans des bassins de rétention extérieurs. Ces bassins prennent de l’expansion quotidiennement autour du site minier substituant la place de la végétation saine et des territoires. Une mise en végétation des sites miniers du Québec est exigée depuis 1995 afin de redonner une apparence naturelle aux sites et limiter le phénomène d’érosion. Depuis 2013, un plan de réaménagement et de restauration des sites exploités est obligatoire selon la loi sur les mines. Ces bassins seront donc ciblés pour effectuer des essais de revégétalisation par l’entremise de plantes actinorhiziennes. Les plantes actinorhiziennes sont des végétaux robustes pouvant coloniser nombreux habitats perturbés et hostiles. L’aulne est une plante actinorhizienne pouvant établir une relation symbiotique avec l’actinobactérie fixatrice d’azote du genre Frankia. La symbiose actinorhizienne est une interaction équitablement profitable entre la plante et la bactérie. Cette symbiose repose sur la capacité de la bactérie à transformer, au niveau des nodules, l’azote atmosphérique en ammonium assimilable grâce à une enzyme spécifique, la nitrogénase. Lorsque la symbiose est bien établie, elle donnera un avantage significatif aux plantes pour leur développement et leur croissance, et ce, même dans un substrat pauvre en nutriments ou contaminé. En effet, la symbiose actinorhizienne permet d’améliorer la structure physicochimique d’un sol et de l’enrichir en azote grâce à la fixation de l’azote atmosphérique. Dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue, la mine Doyon est une mine d’or qui détient des sols acidogènes contenant des traces non négligeables de métaux lourds. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale avait comme objectif principal d’évaluer la capacité des aulnes rugueux et des aulnes crispés à coloniser des résidus miniers acidogènes aurifères (concentrations différentes de 0 %, 35 %, 65 % et 100 %) avec ou sans l’aide de Frankia. La dispersion des contaminants par les feuilles a aussi été étudiée afin d’évaluer le risque environnemental de l’utilisation des aulnes sur le terrain à des fins de revégétalisation. Les objectifs préliminaires avaient comme but d’évaluer la résistance, de manière individuelle, de la souche ACN10a du genre Frankia (par extrait aqueux) puis des espèces d’aulne aux résidus miniers non stérilisés. Par le fait même, la microflore des résidus miniers a été étudiée dans le but d’isoler des espèces symbiotiques d’endophytes écoadaptées aux conditions arides du site minier Doyon. Concernant les objectifs préliminaires, les résultats ont démontré que la souche ACN10a résiste bien jusqu’à 35 % d’extrait aqueux de résidus miniers de la mine Doyon. Pour les concentrations supérieures à 50 %, Frankia (souche ACN10a) a démontré une respiration cellulaire et des concentrations protéiques décroissantes en raison de la présence d’éléments toxiques biodisponibles dans l’extrait aqueux. Par ailleurs, les aulnes rugueux et crispés ont démontré une tolérance jusqu’à la concentration de 35 % de résidus miniers non stérilisés sans la présence de Frankia. Par la suite, les résultats d’isolement n’ont pas démontré la capacité des aulnes à recruter des bactéries symbiotiques à partir des résidus miniers de la mine Doyon. Concernant l’objectif principal, les résultats ont démontré que l’aulne rugueux résiste mieux que l’aulne crispé jusqu’aux concentrations de 35 % de résidus miniers lorsqu’inoculés en manifestant une meilleure biomasse sèche totale, une plus grande concentration de chlorophylle dans les feuilles et un plus grand nombre spécifique de nodules. L’établissement symbiotique a été affecté par la présence des résidus miniers acidogène révélant que le nombre de site d’infection racinaire diminuait en fonction des concentrations de résidus miniers croissantes (0 %, 35 %, 65 % et 100 %). Ensuite, une analyse des éléments chimiques des feuilles a démontré que le transfert des métaux lourds des résidus miniers vers les feuilles était minime. Les plantes révélant de hautes teneurs en métaux lourds dans leurs feuilles ont développé par le fait même, une faible biomasse aérienne limitant ainsi la dispersion de contaminants lors de la perte des feuilles à l’automne. Le modèle expérimental aulne-Frankia possédait un seuil de tolérance visible à la concentration de 35 % de résidus miniers acidogènes aurifères de la mine Doyon. De plus, la présence de la symbiose actinorhizienne a modulé la distribution de certains éléments chimiques dans les feuilles en comparaison avec les aulnes non-inoculés (molybdène, nickel). Puis, une similarité a été notée dans la composition chimique des feuilles d’aulnes inoculés s’étant développés dans 0 % (témoin positif) et 35 % de résidus miniers.

Red alder (Alnus rubra Bong.) is the only tree in British Columbia and the Northwest US to engage in actinorhizal symbiosis to fix atmospheric nitrogen. This study was conducted to explore the plasticity in growth and physiology among 58 17-year-old red alder families in response to variation in climate in two common garden plots, one at Bowser, BC and one at Terrace, BC. Physiological assessments included height and diameter growth, bud flush, water use efficiency as measured by δ13C, cold hardiness as measured by controlled freezing and electrolyte leakage, autumn leaf senescence, and instantaneous and seasonally integrated rates of nitrogen fixation as measured by acetylene reduction and natural abundance δ15N isotope analysis, respectively. Significant differences were identified among families for growth (height and diameter), bud burst stage, leaf senescence, cold hardiness, and bud nitrogen content. No significant differences among families were identified for water use efficiency as measured by δ13C, or for rates of nitrogen fixation as measured by either acetylene reduction or natural abundance δ15N. This study identified possible adaptive differences among red alder genotypes, especially in traits such as bud flush timing, cold hardiness, or nitrogen fixation and their respective contributions to growth. These differences often reflected a tradeoff between growth and the ability to tolerate an extreme environment. Cold hardiness results indicate that red alder families are well adapted to their climate of origin, and may not be able to acclimate sufficiently to a northward assisted migration of genotypes. Nitrogen fixation results demonstrated gaps in our current knowledge of Frankia distribution and impact on the actinorhizal symbiosis in British Columbia. / Graduate