La majorité des plantes terrestres forment une symbiose racinaire avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA). Les champignons fournissent à la plante de l'eau et des minéraux en particulier du phosphate (Pi), en échange les plantes leur apportent des éléments carbonés. La fertilisation phosphatée est connue pour inhiber l'interaction symbiotique, mais les mécanismes intervenant dans cette régulation sont inconnus. Nous avons montré que le Pi est capable d'inhiber presque totalement la mycorhization à un stade très précoce, avant même l'attachement du champignon à la surface de l'épiderme racinaire. Cette inhibition est liée aux teneurs en Pi dans les parties aériennes et fait intervenir une signalisation systémique. Par la suite, nous avons cherché à identifier les mécanismes impliqués dans la régulation de la mycorhization par le Pi. Les évènements précoces d'interaction ont été examinés avec un intérêt marqué pour les exsudats racinaires. Tout d'abord, nous avons analysé l'importance des strigolactones dans la régulation. Ces molécules sont sécrétées par les racines des plantes et stimulent le développement des champignons (MA). La production de strigolactones est elle aussi régulée de façon systémique par le Pi et les exsudats végétaux de plantes non carencés en Pi sont dépourvus de strigolactones. Cependant, un ajout exogène de ces molécules ne suffit pas pour lever l'inhibition associée à la présence de Pi. De plus, la part des exsudats végétaux en général dans cette régulation a été étudiée. Bien que les exsudats jouent un rôle pour favoriser (ou non) la mise en place de l'interaction, des mécanismes de contrôle supplémentaires existent au niveau de la racine elle-même. Parmi plusieurs mécanismes régulateurs hypothétiques nous avons testé si le Pi pouvait affecter la capacité des plantes à reconnaitre correctement leurs partenaires fongiques. Pour cela nous avons utilisé deux approches. (i) Il est connu que les racines répondent à la présence de champignon par des oscillations de concentrations en calcium dans les noyaux. Nous n'avons pas trouvé d'effet du Pi sur cette réponse. (ii) Nous avons aussi analysé si l'expression de gènes végétaux en réponse au champignon pouvait être régulée par le Pi. Quelle que soit la condition phosphatée testée, les plantes sont capables de répondre à la présence de champignon par l'induction de gènes de défense et de gènes " symbiotiques ". Cependant, le Pi affecte négativement l'expression de certains des gènes symbiotiques, laissant penser que les plantes seraient moins à même de répondre au champignon lorsqu'il y a du Pi. Pour finir, d'autres mécanismes de régulation possibles (tels que la composition des parois ou un effet hormonal des strigolactones) sont proposés et discutés.

Le lien qui existe entre la diversité et la productivité des écosystèmes constitue un sujet central en écologie. De nombreuses études ont montré une relation positive entre la diversité et la productivité des forêts, ainsi que leur résistance à différents stress comme à la sécheresse. En revanche, peu de travaux ont permis de comprendre les mécanismes à l'origine des avantages observés dans les forêts à plusieurs espèces comparés aux forêts monospécifiques. En particulier, en raison de la difficulté d'accès aux racines, le rôle du compartiment souterrain dans les interactions entre espèces est particulièrement méconnu. L'objectif de ma thèse a été d'étudier l’influence des interactions entre espèces d’arbres sur le système racinaire du hêtre (Fagus sylvatica) sous différents niveaux de contrainte hydrique. Ces travaux ont montré que, au stade jeune plant, la compétition souterraine entre hêtre, chêne et pin était forte et que mélanger les espèces à ce stade pouvait influencer la croissance du hêtre. La disponibilité en eau a un fort impact sur la croissance des plantules de hêtre mais la présence d’autres espèces à proximité des jeunes plants de hêtre n’a pas amélioré leur réponse à la sécheresse. Au stade adulte, dans une plantation forestière, nous avons montré que la présence de l’érable n’influençait que légèrement la profondeur d’extraction de l’eau du hêtre ou la distribution verticale de ses racines. Nous concluons (i) à une absence de séparation des niches souterraines entre ces deux espèces, tant au niveau spatial que fonctionnel (vis à vis de l'acquisition de l’eau), et (ii) que les mécanismes d’interaction souterraine ne semblent pas expliquer l’origine de la productivité plus forte dans la zone de mélange que dans les zones de monocultures. Enfin, j'ai montré que les peuplements mélangés hébergent une communauté fongique plus riche par rapport aux peuplements purs. Cette plus forte richesse de la communauté fongique dans le mélange pourrait contribuer à une meilleure acquisition des ressources hydriques et minérales dans le mélange. Mon travail suggère que les interactions souterraines entre le hêtre et d’autres espèces forestières ne sont probablement pas le mécanisme principal expliquant les effets positifs des mélanges sur la productivité / The link between species diversity and ecosystem productivity is a central issue in ecology. Numerous studies have shown a positive relationship between forest diversity and productivity, as well as a greater resistance to various stresses such as droughts. On the other hand, few studies demonstrated the mechanisms behind the benefits observed in multi-species forests compared to monospecific ones. In particular, the role of belowground interactions among species in explaining the origin of positive effects of species diversity on ecosystem functioning is unknown. The aim of my PhD work was to study the influence of tree species interactions on the root development of beech (Fagus sylvatica) under different levels of water conditions. We showed that at the seedling stage, underground competition between beech, oak and pine was strong and that mixing these species could influence the growth of the beech. Water availability had a strong impact on the growth of beech seedlings, but the presence of seedlings of other species competing with beech did not particularly improve its response to drought. At the adult stage, in a forest plantation, we showed that maple trees competing with beech did not strongly modify the mean depth of soil water extraction of beech trees or the vertical distribution of beech roots. We conclude that (i) there was no separation of the underground ecological niches of these two species, both spatially and functionally (with respect to water acquisition), and (ii) that the mechanisms of belowground interaction between these two species do not seem to explain the origin of the higher productivity in the mixture than in the monoculture zone. Finally, the richest fungal communities were found in the mixed species zone: we hypothesize that greater fungal community richness in the mixture may improve water and nutrient acquisition and then contribute to higher productivity in the mixed species zone. My work suggests that underground interactions between beech and other forest species are probably not the main mechanism explaining beneficial effects of mixtures on productivity

Les plantes, par leurs racines, offrent une myriade de niches écologiques pour les microorganismes du sol, et ceux-ci la protègent contre les attaques parasitaires et les stress abiotiques, et favorisent son approvisionnement en nutriments et en eau. Cependant, dans le sol, la plante joue aussi un rôle important lorsqu’elle émet depuis ses racines des composés qui influencent la composition des communautés microbiennes dudit sol, ce combiné à un changement du pH du sol par la plante et son apport en matière organique ainsi qu’en oxygène. Ces composés influencent les membres du microbiote souterrain de la plante et donc indirectement la plante elle-même. Plus on a une diversité du couvert végétal, plus la diversité des microorganismes du sol va être élevée et inversement, plus un sol sera divers en matière de microbes plus les plantes qui y poussent tendent à être en bonne santé. Pour une plante en particulier, il n’est pas inhabituel de développer des relations spécifiques avec des microorganismes eux aussi spécifiques qui vont améliorer sa survie. Cependant, une plante peut vivre dans différents environnements et les sols sont divers, donc les plantes doivent s’adapter aux microbes qu’elles trouvent à proximité en sélectionnant les microbes les plus bénéfiques pour elles. Du coup, il est possible que quel que soit l’environnement dans lequel la plante pousse, quelques microbes soit si importants pour sa survie et son développement qu’on les retrouve toujours en association avec ladite plante. Ces microbes toujours en association avec une plante donnée constituent une unité théorique nommée core microbiote dans la littérature scientifique. La gestion du microbiote des plantes cultivées pourrait améliorer la résistance au stress et la productivité des plantes cultivées et il est donc important d’en comprendre le fonctionnement. A ce jour, le microbiote souterrain des plantes demeure largement une « boîte noire » en raison de son incroyable complexité due à la diversité faramineuse des microorganismes qui le constituent. Au cours de ma recherche doctorale, j’ai voulu participer à ouvrir encore un peu plus cette « boite noire » pour augmenter la connaissance du fonctionnement et de la structure du microbiote souterrain des plantes. Pour ce faire, j’ai utilisé le canola (B. napus) comme plante modèle. J’ai étudié le microbiote racinaire, tel qu’influencé par le niveau de diversification du système cultural, à l’aide d’un dispositif expérimental établi par Agriculture et Agroalimentaire Canada à cinq emplacements dans la prairie canadienne en 2008. Le canola, B. napus est une Brassicaceae économiquement importante, mais aussi intéressante en tant que plante modèle, car le canola est associé à des communautés microbiennes racinaire moins complexes que bien d’autres plantes, à cause de sa production de composés antimicrobiens. J’ai utilisé le séquençage d’amplicons, des analyses statistiques multivariées et l’analyse de réseau pour approcher cette complexité et: i) vérifier l’impact de la diversification du système de rotation cultural sur les communautés microbiennes souterraines du canola, ii) établir si un core microbiote fongique et bactérien existait bel et bien dans la rhizosphère du canola et le plein sol en culture de canola, iii) identifier de façon claire des espèces clef de voute interagissant intensivement dans les communautés fongiques, bactériennes, et mixtes, et finalement iv) évaluer la persistance des champignons mycorhiziens à arbuscules dans la rhizosphère du canola et le plein sol adjacent cette plante non-hôte, en systèmes culturaux basés sur le canola. Mes résultats confirment que les communautés fongiques de la rhizosphère du canola et de son sol étaient influencées par la diversification des rotations de cultures, mais démontrent que les communautés bactériennes ne l’étaient pas. La rhizosphère du canola avait un core microbiote fongique variant avec les années, tandis que chez les bactéries, seulement des core espèces ont été identifiées. J’ai aussi relevé des interactions potentielles entre microbiote fongique et microbiote bactérien du canola et identifié des espèces clef de voute. Les fluctuations de l’abondance de ces espèces pourraient alors faire varier celles de beaucoup d’autres microbes. Bradyrhizobium a été l’une de ces espèces. Mes résultats montrent aussi un maintien d’une communauté des champignons mycorhiziens à arbuscules chez le canola même après 10 ans de monoculture. En résumé, ma recherche apporte une lumière nouvelle dans l’étude du fonctionnement, de la structure et des dynamiques écologiques au sein du microbiote souterrain du canola et sur l’écologie microbienne théorique des plantes notamment en ce qui a trait à ses composantes invariantes telles que le core microbiote et les taxons clef de voûte. Des études en conditions contrôlées sont nécessaires pour vérifier la capacité des microbes clef de voute rapportés ici à influencer les communautés microbiennes du sol et les plantes qui y vivent. / Plants and soil microbes are closely linked. Plants provides myriads of ecological niches in and on its roots for microbes to thrive. In turn, microbes can protect host plants against pathogen attacks, abiotic stresses, and improve nutrient and water availability. In the distant soil, plant produce volatile compounds shaping microbial communities, with feedback on root-associated communities. The more diversity there is in the plant cover, the higher the diversity of soil microorganisms will be and conversely, the more diverse a soil will be in terms of microbes, the more de plants that grow there trend to be in good health. Certain plants can develop specific relationships with certain microbes improving the fitness of the plant. However, a plant can grow in different environments and soils are diverse, thus plant will have to adapt to the different microbes depending on the environment it is growing in while attracting the ones necessary for its growth. Certain microbes could be so important for a plant’s health and development that they are always associated with the plant. Such important microbes form a theoretical group called core microbiota that could be extremely important for plant health and a determinant of the composition of plant-associated microbial communities. The plant subterranean microbiota is often labelled as a “black box” due to the tremendous diversity and interactivity of the microbial communities plants host. In my thesis research I aimed to “crack the black box” a little further to enhance our understanding of plant subterranean microbial community dynamics and structure. To do so, I used a field experiment established in 2008 by Agriculture and Agri-Food Canada (AAFC) at five different sites in the Canadian Prairies under different crop rotations and canola as model plant. Canola (B. napus) is a crop plants of the Brassicaceae family that produces antimicrobial compounds and has “simpler” microbial community in its roots, and rhizosphere. To do so, I used amplicon sequencing, multivariate analysis, and network analysis. My objectives were i) to verify the impacts of plant cover diversification on canola microbial subterranean community, ii) to verify if a core microbiota of fungi and bacteria could exist in canola rhizosphere and bulk soil and if so, to describe this core, iii) to identify keystone bacteria and fungi, i.e. highly interacting components, in the bacterial and fungal communities associated with canola, and finally, iv) to investigate the persistence of arbuscular mycorrhizal fungi in the rhizosphere and bulk soil of canola, a non-host plant, in canola-based cropping systems. I found that the diversification of cropping systems influenced the structure of the fungal communities of canola rhizosphere and bulk soil, but diversification had no significant influence on bacterial community structure. A fungal core microbiota varying through years was found in canola rhizosphere, but no bacterial core-microbiota was found. However, we were able to identify a core-specie. Interactions among the fungal and bacterial microbiota in canola rhizosphere and bulk soil were found and Bradyrhizobium was among several potentially important keystone taxa. My results also show the maintenance of arbuscular mycorrhizal fungi in canola even after 10 years of monoculture despite this plant is not a host for AMF. Overall, my PhD research brings a new level of knowledge on the microbial structure and dynamics of canola subterranean microbiota, and also on the theoretical ecology of plant microbiota, particularly regarding its invariable components such as core microbiota and hub-taxa. Further investigations are needed to better understand how keystone species and core species influence the plants and their microbiome.