Sous la forêt boréale albertaine, dans l'Ouest canadien, repose la deuxième plus grande réserve de pétrole mondiale. Son exploitation détruit l'écosystème, en plus de générer de grandes quantités de résidus phytotoxiques, dont les principaux sont le sable résiduel (TS) et le coke. Selon la loi provinciale, avant la fin de l'exploitation, les terres doivent être restituées dans leur état original. Cependant, la réhabilitation des terres demeure un défi significatif compte tenu du volume de résidus qui seront générés par l'industrie pétrolière en Alberta. Les plantes actinorhiziennes sont des végétaux très résistants, qui colonisent souvent des habitats hostiles : dépôts volcaniques, dunes de sable, sols érodés à la suite d'un glissement de terrain, sols contaminés. La plupart de ces milieux sont pauvres en azote, en conséquence, l'établissement de la symbiose avec un actinomycète fixateur d'azote atmosphérique, Frankia spp., leur confère un avantage indéniable. Parmi les plantes actinorhiziennes, l'aulne actinorhizé revêt un intérêt particulier. À maintes reprises, il a prouvé son utilité dans le cadre de diverses pratiques agroforestières ou de réhabilitation de sites contaminés par des métaux lourds, des résidus chimniques et des hydrocarbures. Des 47 espèces d'aulnes distribuées mondialement, 7 sont indigènes du Canada, dont l'aulne rugueux et l'aulne crispé. Puisque ces deux espèces ont déjà été utilisées à grande échelle au Canada pour réhabiliter des terres perturbées, leur emploi dans le cadre de la revégétalisation des sites albertains est pertinent. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale avait comme objectif d'évaluer la capacité des aulnes Symbiotiques à coloniser directement les principaux résidus de l'industrie pétrolière albertaine. Il tentait également d'évaluer l'impact qu'auraient ces résidus sur la symbiose de l'aulne crispé et de l'aulne rugueux avec Frankia. L'hypothèse de recherche stipule donc que l'aulne crispé et l'aulne rugueux peuvent croître directement en TS et en coke, et que la symbiose avec la bactérie du genre Frankia améliore le développement des aulnes croissant dans ces résidus. Afin d'investiguer la question, des aulnes crispés et rugueux ont été cultivés en conditions gnotobiotiques, en absence ou en présence de Frankia, dans du TS ou du coke. Par la suite, ils ont été récoltés, et leur développement a été évalué. Que ce soit en présence de TS ou de coke, Frankia a établi la symbiose avec l'aulne crispé et l'aulne rugueux. Cette symbiose a permis aux aulnes de survivre en substrats résiduels et a assuré un meilleur développement de ceux-ci. Dans le cas du coke, une étude terrain a confirmé ces résultats. En conclusion, l'aulne rugueux et l'aulne crispé détiennent les qualités nécessaires pour participer à la revégétalisation des sites perturbés par l'industrie pétrolière albertaine, et la présence de la symbiose actinorhizienne améliore significativement le développement de ces végétaux en présence de stress environnemental.

Les deux systèmes nodulaires symbiotiques les plus importants au niveau agronomique et environnemental sont, d'une part, les symbioses Rhizobium-légumineuses qui concernent environ 14 000 espèces, et d'autre part, les symbioses entre les plantes actinorhiziennes (environ 200 espèces) et l'actinomycète du sol Frankia. La plupart des plantes actinorhiziennes sont capables de fixer des quantités d'azote comparable à celles des Légumineuses ; ce sont généralement des plantes pionnières capables de coloniser des environnements pauvres en éléments minéraux. Elles représentent donc un atout écologique important. Si la symbiose Rhizobium-légumineuse est très étudiée, les mécanismes moléculaires à l'origine de la formation des nodules actinorhiziens restent actuellement peu connus. Ainsi, chez les Légumineuses, les flavonoïdes sont des molécules-clefs du processus de nodulation, alors que chez les plantes actinorhiziennes, l'implication des flavonoïdes dans la nodulation reste imprécise. L'objectif de cette thèse était de comprendre l'implication des flavonoïdes au cours de l'interaction symbiotique entre l'arbre actinorhizien tropical Casuarina glauca et son symbiote Frankia. L'analyse d'une base de données d'unigènes couplée à celle de données d'expression de puces à ADN a permis l'identification de huit genes de C. glauca impliqués dans la voie de biosynthèse des flavonoïdes. L'étude de leur expression dans les racines par PCR quantitative au cours d'une cinétique d'infection de C. glauca par Frankia a montré que les transcrits de la chalcone isomerase et de l'isoflavone reductase s'accumulaient très tôt après l'inoculation, suggérant ainsi une implication des isoflavonoïdes dans la symbiose actinorhizienne. Nous avons alors utilisé une stratégie d'ARN interférent pour réduire l'expression du gène de la chalcone synthase, la première enzyme de la voie de biosynthèse des flavonoïdes. La réduction de l'expression du gène de la chalcone synthase a provoqué une réduction significative du taux de flavonoïdes dans les racines ainsi qu'une très forte diminution du taux de nodulation chez les plantes transformées. Une restauration du taux de nodulation a pu être obtenu en présence de naringenin, une molécule centrale de la voie de biosynthèse des flavonoïdes.Nos résultats apportent donc, pour la première fois, une évidence directe de l'implication forte des flavonoïdes au cours de la nodulation des plantes actinorhiziennes. / Nitrogen-fixing root nodulation, confined to four plant orders, encompasses more than 14,000 Leguminosae species, and approximately 200 actinorhizal species forming symbioses with rhizobia and Frankia bacterial species, respectively. Most actinorhizal plants are capable of high rates of nitrogen fixation comparable to the nitrogen fixing symbiosis between legumes and Rhizobium. As a consequence, these plants are able to grow in poor and disturbed soils and are important elements in plant community worldwide. The basic knowledge of the symbiotic interaction between Frankia and actinorhizal plants is still poorly understood, although it offers striking differences with the Rhizobium-legume symbiosis. In the symbiosis between legumes and Rhizobium, flavonoids are key molecules for nodulation. In actinorhizal plants, the involvement of flavonoids in symbiosis is poorly understood, but because of the similarities of the infection process between some actinorhizal plants and legumes, flavonoids were proposed to act as plant signals for the bacteria Frankia. The objective of this thesis was to investigate the involvement of flavonoids during the actinorhizal nodulation process resulting from the interaction between the tropical tree Casuarina glauca and the actinomycete Frankia.Eight C. glauca genes involved in flavonoid biosynthesis were identified from a unigene database and their expression patterns were monitored by quantitative real-time PCR during the nodulation time course. Our results showed that chalcone isomerase and isoflavone reductase transcripts accumulated preferentially early after inoculation with Frankia, suggesting thus for the first time that isoflavonoids are implicated in actinorhizal nodulation. To go deeper in the understanding of the role of these molecules in actinorhizal symbiosis, we used RNA interference strategy to silence chalcone synthase, the enzyme that catalyzes the first committed step of the flavonoid pathway. Knockdown of chalcone synthase expression led to a strong reduction of specific flavonoids levels and resulted in a severely impaired nodulation. Nodule formation could be rescued by supplementation of plants with naringenin, which is an upstream intermediate in flavonoid biosynthesis. Our results provide, for the first time, direct evidence of a strong implication of flavonoids during actinorhizal nodulation.

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

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 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.

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