La pollution des sols par l’Arsenic (As) est une préoccupation environnementale grandissante dans plusieurs pays du monde : États-Unis, Canada, Mexique, Chine, Vietnam et France. L’émergence des techniques écologiques dites « phytoremédiation » constitue à l’heure actuelle une des solutions aux problématiques de décontamination des sols pollués par l’As. Aussi, elle permet de rallier le respect de l’état écologique des sites d’une part et le coût financier de traitement d’autre part. Pour cela, l’appréhension des interactions entre le végétal et l’As à l’interface racine-sol est nécessaire afin d’accélerer la mise en place de la phytoremédiation et de tester son efficacité. D’où l’objectif général de ce travail est d’étudier l’effet de quatres espèces végétales Holcus lanatus, Dittrichia viscosa, Lotus corniculatus et Plantago lanceolata sur la mobilité de l’As dans un sol à contamination géochimique en As (2000 mg kg-1). Notre étude a permis au départ de comparer et de caractériser la tolérance et la capacité accumulatrice des espèces séléctionnées à l’égard de l’As en milieu de culture et en sol contaminé chimiquement par l’As. Ensuite, l’étude de la mobilisation de l’As dans la rhizosphère a été réalisée par deux approches d’étude complémentaires : l’approche « rhizopot-rhizons » et l’approche « tapis racinaire ». L’approche « rhizopot-rhizons » nous a permis d’identifier d’intéressantes corrélations entre l’As et les paramètres suivis (NO3-, SO42- , Ca, Mg, P, pH, COD) tout au long de la période de croissance. Nous avons identifié et caractérisé plusieurs processus ifluençant la mobilisation de l’As dans la rhizosphère (alcalinisation/acidification, compétition anionique…). L’avantage de l’approche « rhizopot-rhizons » réside dans le fait que les plantes se sont développées sans prétraitement du substrat de croissance (contamination artificielle, ajout de solutions nutritives…). Par ailleurs, l’approche « tapis racinaire » a permis d’identifier quelques anions organiques dans les racines de P. lanceolata et de mettre en évidence le rôle du Phosphore dans la mobilisation de l’As dans la rhizosphère. Elle permet d’amplifier l’effet du système racinaire sur la mobilité de l’As dans le sol d’une part, et de récupérer entièrement le système racinaire tout en limitant les artefacts liés à la contamination des racines par le sol d’autre part. / The pollution of soils with Arsenic (As) is an increasing environmental concerns in several countries in the world: USA, Canada, Mexico, China, Vietnam and France. Recently, the emergence of green technologies sush as “phytoremediation” is considered an attractive soil remediation strategy due to its low cost and soil preservation. For this reason, the understanding of interactions between plants and As at the soil-root interface is necessary in order to accelerate phytoremediation implementation and to test its effectiveness. Hence the aim of this work was to study the effect of four plant species Holcus lanatus, Dittrichia viscosa, Plantago lanceolata and Lotus corniculatus on As mobility in a natural As contaminated soil (up to 2000 mg kg-1). First, we compared and characterized the tolerance behaviour of the four selected species to As and their accumulation capacity in hydroponic and in natural soil conditions. Then, the study of As mobilization in the rhizosphere was conducted by using two approaches "rhizopot-rhizons” and "root mat”. We identified by the “rhizopot-rhizons” approach, some interesting correlations between As and the monitored parameters (NO3-, SO42-, Ca, Mg, P, pH, COD) over the vegetative growing period. We observed several processes affecting As mobilization in the rhizosphere (alkalization / acidification, anionic competition ...). The advantage of this approach is that the plants have grown normally without growth substrate pretreatment (artificial contamination, addition of nutrient solutions ...).Whereas, the "root mat" approach allowed the identification of some organic anions in the root system of P. lanceolata and highlighted the role of phosphorus on As mobilization due mainly toto the easy roots collection at the end of experiment.

En utilisant le binôme Cupriavidus metallidurans CH34-Solanacées comme un modèle et comme un point de<p>départ, une étude sur l'interaction entre les plantes et les bactéries sur un substrat pollué par le cuivre a été menée<p>dans deux directions:<p>1 °) une étude en conditions de laboratoire sur les capacités de C. metallidurans CH34 à interagir avec Nicotiana<p>plumbaginifolia (les solanacées)<p>2 °) une étude sur le terrain visant à examiner les interactions entre cuprophytes et bactéries résistantes aux<p>métaux des régions minières du Katanga.<p>La première partie inclut une étude in silico visant à établir un catalogue des gènes C. metallidurans CH34<p>potentiellement impliqués par les interactions plantes-bactéries. Ce catalogue, tout en se reposant sur le génome<p>proche de Ralstonia solanacearum, bactérie phytopathogène de plusieurs espèces végétales appartenant<p>principalement à la famille des Solanaceae, il n'a pas pris en compte les orthologues des gènes clés de la<p>virulence de cette phytopathogène. Les gènes correspondants de C. metallidurans étaient situées sur les deux<p>chromosomes et ont des orthologues dans tous les génomes séquencés des Cupriavidus / Ralstonia et dans<p>Enterobacter sp. 638, endophyte de peuplier. L'étude transcriptomique, à l'aide de «microarray» a montré que<p>certains de ces gènes étaient induits, notamment des gènes impliqués dans la mobilité flagellaire (comme motA)<p>et dans la synthèse des polysaccharides extracellulaires étaient surexprimés pendant le contact entre les plantes et<p>les bactéries, tandis que phcA (impliqué dans la détection de la densité de population et dans la conversion<p>phénotypique) et des gènes impliqués dans la biosynthèse de pili étaient sousexprimés dans les conditions<p>expérimentales testées. En outre, le contact avec les plantes semble avoir induit la surexpression des gènes<p>impliqués dans la réponse de cuivre et d'autres métaux. La capacité de C. metallidurans CH34 à coloniser<p>l'endosphere de N. plumbaginifolia a été confirmée in vitro ainsi qu'un effet de promotion de la croissance des<p>plantes dans certaines conditions. Mais la densité de la colonisation (104-106 c.f.u/g. poids frais) est<p>considérablement réduite dans des conditions non stériles et en l'absence de pression de sélection métallique.<p>La deuxième partie de l'étude s'est concentrée sur la microbiologie de cuprophytes (Haumaniastrum katagense et<p>Crepidorhopalon tenuis) dans l'arc cuprifère du Katanga: des isolats Cuprorésistants appartenant aux genres<p>Stenotrophomonas et Sphingomonas prédominent dans la rhizosphère alors que des isolats appartenant aux<p>genres Methylobacterium, Xanthomonas et Variovorax prédominent dans l'endosphere. Certaines de ces<p>bactéries sont plus résistantes au Cu(II), à des concentrations minimales inhibitrices (MIC) allant jusqu'à 5 mM,<p>que C. metallidurans CH34 (MIC: 1,5 mM) et la plupart d'entre elles résistent également aux Zn(II), Co(II) et<p>Cd(II). Des isolats appartenant au genre Cupriavidus/Ralstonia ont été détectés dans la rhizosphère des<p>cuprophytes ainsi que les séquences 16S rDNA de C. metallidurans ont été également détectées dans l'ADN<p>total extrait des cuprophytes. La détection via la réaction de la polymérase en chaîne (PCR) de gènes de<p>résistance au cuivre correspondant à des protéines periplasmiques a confirmé la présence dans les bactéries<p>cuprorésistantes, principalement de copA et dans une moindre mesure celle de copK. Mais les gènes homologues<p>de copA et de copK n'ont pas été détectés dans tous les bactéries du genre Methylobacterium dont les membres<p>ont été pourtant les plus résistants aux métaux. Certaines bactéries isolées sont capables d'interagir avec le<p>système hormonal végétal et quelques unes semblent également manifester un effet de promotion de la<p>croissance des plantes. Les premières tentatives d'élaboration de protocoles de reinoculation des bactéries<p>endophytic cuprorésistantes dans Haumaniastrum katagense ont été effectués. La biologie moléculaire et<p>l'écologie des interactions plantes-bactéries et des mécanismes de résistance métallique décrits dans ce travail<p>peuvent préparer la voie à de nouvelles applications en bioremédiation (phytostabilization / phytoextraction de<p>métaux toxiques). / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La déficience en phosphore est l’un des facteurs limitant la production de légumineuses à graines, dont le haricot (Phaseolus vulgaris). La diversité génétique de cette espèce en Amérique latine a permis d'identifier avec le CIAT, des lignées recombinantes du croisement de DOR364 et BAT477 à fort pouvoir fixateur d'azote (FSN) et à forte efficacité d'utilisation de phosphore (EUP). Les résultats obtenus au cours de ce travail nous ont permis de répondre à notre objectif principal de thèse qui consistait à vérifier la pertinence des critères d'adaptation de la fixation symbiotique de l'azote chez le haricot à la disponibilité de P que nous avons déterminé. Nous avons démontré, d'une part, en milieu hydroaéroponique, que les racines nodulées du haricot, excrètent dans leur rhizosphère une quantité de H+ qui est corrélée à la perméabilité nodulaire. Ce qui laisse penser qu'une part d'H+ excrétée par les racines nodulées est liée à la fixation symbiotique de N2. D'autre part, nous avons démontré que sous déficience en P les lignées tolérantes acidifient plus leur rhizosphère que les sensibles. En multisites les facteurs les plus déterminants de la hiérarchisation des sites sont N-total et P-total. Deux groupes de lignées se distinguent, les tolérantes versus les sensibles à la faible fertilité des sols en P. La lignée locale se distingue des groupes précédents. Elle est capable de croître dans différents sols, notamment les contraignants avec une grande capacité à noduler, par conséquent, à compenser la déficience en N. Nous avons également pu démontrer que les biomasses nodulaire et aérienne sont corrélées au P Olsen du sol / Phosphorus deficiency is one of the limiting factor for grain legume production like bean (Phaseolus vulgaris). The results obtained during this work enabled us to confirm our main aim of this work which is checking the relevance of the criteria of adaptation of the symbiotic nitrogen fixation of bean to P availability. We showed, in controlled conditions that the nodulated roots of bean, release in their rhizosphere a quantity of H+ which is correlated with the nodul permeability. What lets think that a share of H+ released is related to the symbiotic N2 fixing. In addition, we showed that under P deficiency the tolerant lines acidify more their rhizosphere that the sensitive ones. Into multisite trial the most determining factors of the hierarchisation of the sites are total-N and total-P. Two groups of lines are distinguished: tolerant versus sensitive to P deficiency. The local farmer line is distinguished from the studied lines. It is able to grow in various soil fertility, in particular the constraining soils. ones with a great capacity with noduler, consequently, to compensate for deficiency in NR. We also could show that shoot and nodule biomass are correlated with the Olsen-P Olsen of the soil

En Europe de l’Ouest, S est devenu un élément limitant pour la croissance des plantes. Ainsi, des carences en S apparaissent de plus en plus fréquemment sur des cultures tel que le colza. Dans le sol, 95% de S est sous formes organiques, non disponibles pour les plantes. L’intervention de la microflore est indispensable pour assurer la minéralisation du S organique en sulfates, assimilables par la plante. Nos objectifs ont été de caractériser la communauté fongique impliquée dans la minéralisation des esters de S, forme majoritaire de S organique, via une activité arylsulfatase (ARS), dans les rhizosphères de colza et d’orge. La communauté fongique est composée de plusieurs genres affiliés principalement aux Ascomycètes. Chez les souches fongiques isolées de la rhizosphère de colza et d’orge, une activité ARS a été détectée dans différents compartiments cellulaires. La régulation de ces activités ARS semble dépendante du taxon considéré. Nous avons par ailleurs montré que l’environnement rhizosphérique n’influence pas toujours la taille de la communauté fongique ARS. Dans les sols, si les activités ARS totale et intracellulaire semblent négativement corrélées avec les quantités de sulfates, l’activité ARS extracellulaire semble indépendante de la disponibilité en sulfates. En conclusion, l’ensemble des expérimentations suggère que la communauté fongique fonctionnelle joue un rôle dans la dynamique du S dans les sols agricoles. Des approches d’écologie fonctionnelle permettraient de mieux cerner leur implication dans la disponibilité en S minéral pour la plante / In Western Europe, sulfur (S) deficiency occurs in certain crops, including crucifers and cereals. Therefore, S becomes limiting for crop production and plants exhaust S mainly from soil organic S. In soil, 95% of S is in organic form that is not readily available for plants. This organic form containing principally ester S requires microbial mineralization to sulfate by arylsulfatase (ARS) enzyme. Our objectives were to characterize the fungal community having the ARS activity in the rhizosphere of rape versus that of barley. Functional fungal community comprised several genera principally belonging to Ascomycota. In different fungal strains, ARS activity was detected in different cellular compartments. The regulation of ARS was mostly dependent on microbial taxa. The density of the functional fungal community was not influenced by rhizospheric compartment.In soils, total and intracellular ARS activities were negatively correlated with soil sulfates whereas soil extracellular ARS activity was independent of sulfates. The overall results suggest that the functional fungal community could play a role in the dynamics of S in agricultural soils. Further approaches should be developed to allow a better understanding of their potential involvement in S nutrition of crops

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La rhizosphère est le siège de multiples interactions biotiques, contrôlées au moins en partie par l’échange de molécules signal entre les racines des plantes et les microorganismes qui leur sont associés. Dans le contexte des symbioses associatives entre les PGPR (Plant-Growth Promoting Rhizobacteria) et les plantes, le rôle et l’importance de ces molécules restent encore largement méconnus. Ainsi, l’influence de différents signaux rhizosphériques sur l’expression génique et les propriétés phytobénéfiques des PGPR a été étudiée par, (i) la caractérisation chimique d’une nouvelle molécule phytobénéfique d’Azospirillum et de son impact sur l’architecture du système racinaire, (ii) une approche ciblée portant sur l’analyse de l’expression in situ du gène phytobénéfique acdS de PGPR, et (iii) une approche globale permettant d’identifier la réponse du transcriptome d’Azospirillum à un métabolite secondaire bactérien. Ces travaux ont permis d’identifier des signaux rhizosphériques impliqués dans le contrôle de la colonisation racinaire et/ou des propriétés de phytostimulation des PGPR sur leur plante hôte / In rhizosphere, numerous biotic interactions are controlled by molecular signals exchanged between plant roots and microorganisms. In the case of the associative symbiosis between PGPR (Plant-Growth Promoting Rhizobacteria) and plants, the role and importance of these molecules are largely unknown. The impact of several rhizospheric signals on PGPR gene expression and plant beneficial properties was thus studied by performing (i) the chemical characterization of a new Azospirillum plant-stimulatory molecule whose positive impact on root development was revealed, (ii) an approach targeting the in situ expression of the acdS plant beneficial gene in PGPR, and (iii) a global approach to identify the Azospirillum transcriptomic response to a bacterial secondary metabolite. This works allowed the identification of rhizospheric signals controlling PGPR root colonization and/or plant growth promotion

L’étude proposée s’inscrit dans un contexte de contamination croissante de la pédosphère et fait le choix d’appréhender cette problématique via une approche centrée sur la rhizospère et sur les mécanismes gouvernant son évolution. Ces travaux s'intéressent à la relation entre l’uranium – un métal naturel ubiquiste non-essentiel – et le citrate – un acide organique de faible poids moléculaire exsudé par certaines espèces végétales poussant sur un milieu pauvre en phosphore. Parmi ces espèces particulières le lupin blanc (Lupinus albus) fait office de plante modèle. Un sol naturellement riche en uranium prélevé à l’affleurement d’une veine de pechblende a été étudié. L’objectif du travail a été de savoir si l’activité racinaire est suffisante pour provoquer la remobilisation de l’uranium dans la solution du sol et favoriser son transfert. Le système sol/plante a été étudié sur rhizotest et de manière découplée en hydroponie et en réacteurs fermés. Il a été démontré que la présence d’uranium dans un milieu contrôlé (hydroponie) stimule l’exsudation de citrate chez les lupins blancs qui ne sont pas carencés en phosphore et que cette exsudation de citrate favorise la solubilisation de l’uranium dans la solution du sol en réacteurs fermés. Ces résultats ont été confirmés par les observations faites sur rhizotest même si les valeurs obtenues dans ce cas étaient plus nuancées. Ceci justifie les approches utilisées et met en évidence leur complémentarité. Les résultats obtenus ont également permis d’apporter des informations concernant la toxicité de l’uranium, son internalisation dans les cellules racinaires ainsi que sur son transfert des racines aux parties aériennes. / The present study is related to the context of pedosphere contamination increasing and chose to consider this issue through a focus on rhizosphere and mechanisms that govern its evolution. This work is oriented on the relation between uranium – a non-essential ubiquitous metal – and citrate – a low molecular weight organic acid exudated by specific species when grown on a phosphorus-deficient environment. Among these particular species white lupine (Lupinus albus) is considered as a model species. Furthermore, a natural soil containing huge amounts of uranium has been collected at the outcrop of a pitchblende vein and used during some experiments. The main aim of this PhD thesis was to determine if the root activity of white lupine is sufficient to cause the remobilization of uranium into soil solution and so to promote the transfer of this contaminant to the plant. The soil/plant system has been studied with rhizotests and by combining datas obtained with hydroponics experiments and batches tests. It has been demonstrated that the presence of uranium in a controlled growth medium (hydropony) stimulates citrate exudation in P-sufficient white lupine. More, this citrate exudation enhances uranium solubilization in soil solution in batches. These results have been confirmed by observations on rhizotest even if the values in this case were more nuanced. This justifies the employed approaches and highlights their coherence and complementarity. The results also allowed to provide additional information concerning uranium toxicity, its internalization in root cells as well as its transfer from roots to aerial parts.

Les effets de deux types de perturbations anthropiques sévères et ponctuelles (une perturbation physique et une contamination chimique) ont été étudiés sur les propriétés physico-chimiques et biologiques de sols prairiaux. La perturbation physique est engendrée par des travaux de terrassement important pour la création des pistes de ski. L'intensité des travaux conduit à un bouleversement de l'écosystème : la végétation pérenne est arrachée et la nature du sol totalement modifiée. La dégradation chimique est occasionnée par l'épandage d'effluents issus de déchets d'incinération sur une prairie de déprise agricole. Les déchets étudiés sont les mâchefers d'incinération des ordures ménagères (MIOM) et les résidus d'épuration de fumées d'incinération des ordures ménagères (REFIOM). L'évaluation de leur écocompatibilité est basée sur une approche dite en scénarios, c'est à dire de mise en situation des déchets. Nos travaux ont permis de préciser l'influence de la structuration physique du milieu (hétérogénéité physico-chimique et structurale des sols, structure et dynamique de la végétation) sur la réponse des activités et des communautés bactériennes aux perturbations. Les modifications observées dans les profils A-RISA et les profils de restriction des pools de gènes nifH, confirment une implication importante de la structure des sols et de la colonisation des racines, dans l'adaptation et la stratégie démographique des communautés bactériennes globales et fixatrices d'azote. Les modifications environnementales induites par les deux perturbations incitent le développement de communautés bactériennes à stratégie adaptative identique, mais de structure et de composition différentes. Les modifications des activités microbiennes (respiration, fixation d'azote et dénitrification) dévoilent, selon la perturbation, un dysfonctionnement de l'état physiologique de la cellule, de l'expression de l'activité enzymatique ou un déséquilibre dans les populations fonctionnelles. Nos travaux développent et suggèrent l'utilisation d'une démarche intégrant plusieurs échelles d'observation et de multiples indicateurs, pour appréhender la qualité des sols et évaluer l'influence de sa détérioration sur le fonctionnement des écosystèmes terrestres.

Les bactéries rhizosphériques qualifiées de PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria) forment des symbioses associatives avec les plantes, stimulant la croissance de ces dernières. Les PGPR présentent différents mécanismes phytobénéfiques (production de phytohormones, fixation non symbiotique de l'azote, etc.). Plusieurs PGPR sont susceptibles d'interagir avec la même plante hôte, et il est possible que leurs effets phytobénéfiques soient influencés par les interactions qu'elles auront les unes avec les autres. L'objectif de cette thèse était de caractériser la compatibilité des PGPR dans la rhizosphère d'une même plante hôte, dans le cas de modèles bactériens appartenant aux genres Azospirillum et Pseudomonas. Certains Pseudomonas phytobénéfiques produisant des métabolites antimicrobiens, comme le 2,4-diacétylphloroglucinol (DAPG), nous avons tout d'abord examiné si la capacité à produire du DAPG pouvait inhiber Azospirillum. Les expériences de confrontation réalisées in vivo avec P. fluorescens F113 et un mutant DAPG-négatif, en système gnotobiotique, ont montré que la colonisation racinaire et l'activité phytostimulatrice de certaines PGPR Azospirillum pouvaient effectivement être diminuées en présence de Pseudomonas producteurs de DAPG. Pour évaluer la colonisation racinaire par Azospirillum en sol non stérile, des outils de PCR quantitative en temps réel ont été développés et validés pour trois souches de premier plan (A. lipoferum CRT1, A. brasilense UAP-154 et CFN-535). L'utilisation de ces outils a permis la comparaison de ces trois souches d'Azospirillum, chacune co-inoculée avec la souche P. fluorescens F113 productrice de DAPG, sur du maïs cultivé en sol non stérile. Les niveaux de colonisation racinaire différaient selon la souche d'Azospirillum, et la combinaison de microorganismes phytobénéfiques conduisait à une meilleure croissance du maïs par comparaison avec des plantes non inoculées. Les résultats suggèrent que des PGPR des genres Pseudomonas et Azospirillum peuvent être compatibles dans la rhizosphère d'une même plante, même si les premiers ont le potentiel d'inhiber certains des seconds par la production de métabolites secondaires antimicrobiens

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal