Les travaux entrepris au cours de cette thèse visaient à répondre à des questions fondamentales sur la biologie évolutive des plantes adaptées aux sols contaminés par des métaux lourds. À travers une approche comparative de populations métallicoles (M : sur sols métallifères) et non métallicoles (NM : sur sol normal) de l’espèce modèle Thlaspi caerulescens, cette thèse avait donc pour objectif général d’appréhender l’adaptation aux habitats métallifères d’une manière plus globale que par le seul trait de tolérance aux métaux. Nous avons donc cherché à mettre en évidence les différences de stratégie de vie entre les populations M et NM. Nous avons également estimé le coût de l’adaptation à l’environnement métallifère. Enfin, nous avons porté une attention particulière au rôle que pouvait jouer la plasticité dans l’adaptation à l’environnement métallifère. Cette plasticité a été considérée au niveau des traits d’histoire de vie et du système racinaire. Trois expériences ont étudié les variations des traits d’histoire de vie des populations M et NM: (1) une culture en conditions contrôlées des populations sur un gradient de concentrations en Zn, (2) une expérience de transplantation réciproque in situ de populations M et NM et (3) un suivi démographique dans les populations M et NM. Enfin, une quatrième expérience (4) visait à évaluer les variations entre populations M et NM d’un trait particulier : la plasticité du système racinaire en réponse à une distribution hétérogène des métaux dans le sol. Nos résultats montrent que les plantes M ont, en moyenne, des cycles de vie plus courts que les plantes NM (exp. 1, 3). Par ailleurs, les populations M sont capables de modifier leur stratégie de reproduction en fonction des teneurs en métaux dans le sol ou du site de transplantation (métallifère vs. non métallifère). Que ce soit sur des substrats non contaminés en Zn (exp. 1) ou sur des sites non métallifères (exp. 2), les plantes M produisent autant de graines au cours de leur vie que les plantes NM. Ces résultats suggèrent l’absence d’un coût adaptatif fort chez les plantes M. In situ (exp. 3), nous avons mis en évidence un effet structurant de l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères sur les stratégies de vie des plantes M. Enfin, les plantes M ont exprimé une plasticité plus élevée du comportement d’exploration racinaire que les plantes NM (exp. 4). L’existence de stratégies de vie plastiques, l’homéostasie de la fitness sur une large gamme de concentrations en Zn, ainsi que le faible coût adaptatif mis en évidence chez les populations M suggèrent que ces populations sont plus aptes à fonder de nouvelles populations que les populations NM. Nos résultats ont également clairement démontré que les populations M sont caractérisées par une plasticité plus élevée que les populations NM (génotype généraliste). Cette plasticité concerne à la fois les stratégies de vie et les mécanismes d’exploration racinaire. Cette plasticité élevée des plantes M a très probablement évolué en réponse à l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères La sélection de génotypes généralistes sur les sites métallifères est une piste de recherche qui mérite, à présent, d’être approfondie chez les autres espèces colonisant les sites métallifères.

Accumulation of a given metal in plants depends on a delicate and precise balance of various biological processes. Some plants have developed strategies that allow them to tolerate heavy metals in extreme conditions without suffering toxicity. This research focuses on the characterization of two metal transporters, a member of the P1B-type (ATPase) transporter family (HMA3) and a member the Natural Resistance Associated Macrophage Protein (NRAMP) Nramp1 family. These transporters have proposed roles in ion homeostasis and mineral nutrition. The work here sought to determine if these transporters might have characteristics that suggest a role in heavy metal transport and tolerance in metal hyperaccumulating plants. These proteins are very well conserved among different taxa. Nonetheless, as little as a single amino acid change has the potential to modify their capacity to take up non essential metals such as Cd, or Pb, and/or increase affinity for other mineral nutrients. These transporters were cloned from a non-accumulator (Arabidopsis thaliana L) and two ecotypes (Prayon and Ganges) of the hyperaccumulator Noccaea caerulescens (formerly= Thlaspi caerulescens). The full cDNA of an ortholog of either Nramp1 or HMA3 was expressed in yeast in order to provide a heterologous model to elucidate how polymorphisms between the orthologs might translate into functional differences between the protein sequences. A comparison of the HMA3 sequences to each other, or the Nramp1 sequences to each other, demonstrated that major motifs and domains in each protein were highly conserved but that there were numerous single amino acid polymorphisms. Few of these polymorphisms corresponded to positions in a protein that are known to be critical for transporter function. However, metal accumulation, tolerance and cell growth assays showed that the Nramp1 and HMA3 genes from Arabidopsis encoded proteins with the expected broad selectivity for divalent ion transport. In contrast, the genes from the Thlaspi ecotypes encoded proteins that showed more selectivity for ion transport. The Thlaspi ecotypes showed high selectivity for cadmium but the accumulation of other elements differed between the Thlaspi orthologs. These results suggest that the polymorphisms present in the Thlaspi sequences have produced differences in the transport characteristics of both the HMA3 and the Nramp1 transporters.

Weed infestation was carried out in the vegetation of oilseed rape and winter wheat in the operating conditions. The aim was to observe a difference between between autumn and spring in the weed species composition in individual crops. Species Chenopodium strictum and Thlaspi arvense were identified in the vegetation of oilseed rape in autumn and species Capsella bursa-pastoris and Tripleurospermum inodorum during spring. Species Euphorbia cyparissias, Stelaria media and Rumex crispus were found in winter wheat during autumn. Results, which are not statistically significant, show that there is a relation between the density of winter crop vegetation and the weed species composition. Species Chenopodium strictum, Thlaspi arvense, Triticum aestivum and Tripleurospermum inodorum occurred in sparse population of oilseed rape. Species Lycopsis arvensis and Polygonum arenastrum were found in denser vegetation of oilseed rape. Species Avena fatua, Stelaria media and Thlaspi arvense were observed in sparse population of winter wheat and in denser species Geranium dissectum and Erodium cicutarium.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse visaient à répondre à des questions fondamentales sur la biologie évolutive des plantes adaptées aux sols contaminés par des métaux lourds. À travers une approche comparative de populations métallicoles (M :sur sols métallifères) et non métallicoles (NM :sur sol normal) de l’espèce modèle Thlaspi caerulescens, cette thèse avait donc pour objectif général d’appréhender l’adaptation aux habitats métallifères d’une manière plus globale que par le seul trait de tolérance aux métaux. Nous avons donc cherché à mettre en évidence les différences de stratégie de vie entre les populations M et NM. Nous avons également estimé le coût de l’adaptation à l’environnement métallifère. Enfin, nous avons porté une attention particulière au rôle que pouvait jouer la plasticité dans l’adaptation à l’environnement métallifère. Cette plasticité a été considérée au niveau des traits d’histoire de vie et du système racinaire. <p>Trois expériences ont étudié les variations des traits d’histoire de vie des populations M et NM: (1) une culture en conditions contrôlées des populations sur un gradient de concentrations en Zn, (2) une expérience de transplantation réciproque in situ de populations M et NM et (3) un suivi démographique dans les populations M et NM. Enfin, une quatrième expérience (4) visait à évaluer les variations entre populations M et NM d’un trait particulier :la plasticité du système racinaire en réponse à une distribution hétérogène des métaux dans le sol. <p>Nos résultats montrent que les plantes M ont, en moyenne, des cycles de vie plus courts que les plantes NM (exp. 1, 3). Par ailleurs, les populations M sont capables de modifier leur stratégie de reproduction en fonction des teneurs en métaux dans le sol ou du site de transplantation (métallifère vs. non métallifère). Que ce soit sur des substrats non contaminés en Zn (exp. 1) ou sur des sites non métallifères (exp. 2), les plantes M produisent autant de graines au cours de leur vie que les plantes NM. Ces résultats suggèrent l’absence d’un coût adaptatif fort chez les plantes M. In situ (exp. 3), nous avons mis en évidence un effet structurant de l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères sur les stratégies de vie des plantes M. Enfin, les plantes M ont exprimé une plasticité plus élevée du comportement d’exploration racinaire que les plantes NM (exp. 4). <p>L’existence de stratégies de vie plastiques, l’homéostasie de la fitness sur une large gamme de concentrations en Zn, ainsi que le faible coût adaptatif mis en évidence chez les populations M suggèrent que ces populations sont plus aptes à fonder de nouvelles populations que les populations NM. Nos résultats ont également clairement démontré que les populations M sont caractérisées par une plasticité plus élevée que les populations NM (génotype généraliste). Cette plasticité concerne à la fois les stratégies de vie et les mécanismes d’exploration racinaire. Cette plasticité élevée des plantes M a très probablement évolué en réponse à l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères La sélection de génotypes généralistes sur les sites métallifères est une piste de recherche qui mérite, à présent, d’être approfondie chez les autres espèces colonisant les sites métallifères. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The co-ordination of Ni in hyperaccumulator plants was investigated using a number of mass spectrometry (MS)-based analytical techniques. Initial field studies on nickeliferous (lateritic) soils in Western Australia failed to identify plants containing elevated metal concentrations. For this reason, Ni-hyperaccumulators were collected from known ultramafic sites in New Caledonia, as well as grown under controlled conditions. Using electrospray ionization MS a Ni-nicotianamine (Ni-NA) complex [NiII(C12H20N3O6)]+ was identified in the South African Ni-hyperaccumulator Berkheya coddii. The association between Ni and NA was examined further in a range of Thlaspi species which accumulate different concentrations of Ni and Zn in their foliar tissues. In order to quantitate the concentration of NA a new liquid chromatography-MS (LC-MS) based analytical protocol was developed which allowed the quantification of NA and free amino acids. From the analysis of the leaf tissue in Thlaspi a strong correlation emerged between Ni and NA but not Zn. This suggested that NA plays a role in the transport of Ni in Ni-hyperaccumulating Thlaspi plants. An inverse proportionality was found between Fe and Ni. Higher NA production could be related to maintenance of Fe homeostasis. A correlation was also found between Zn and asparagine. These results are consistent with the operation of separate transport mechanisms for Ni and Zn. Further extreme examples of Ni-hyperaccumulation were also examined using LC-MS and metabolite profiling based on gas chromatography-MS (GC-MS). (For complete abstract open document)

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L’hypothèse selon laquelle l’accumulation des métaux lourds par les plantes a évolué comme mécanisme de défense contre les herbivores a été testée avec l’hyperaccumulatrice de zinc Thlaspi caerulescens (Brassicaceae). En utilisant l’écotype métallicole (poussant sur sols métallifères) et l’écotype non métallicole (sols normaux) de T. caerulescens, nos résultats ont conduit à rejeter l’hypothèse de défense par accumulation de métaux: les plantes ont été consommées indépendamment de leur concentration en Zn dans toutes les situations expérimentales examinées (conditions contrôlées, jardin expérimental, populations naturelles). Par contre, les herbivores ont montré une préférence systématique pour les plantes de l’écotype métallicole, quelle que soit leur concentration en Zn. Lorsque l’on mesure les concentrations en métabolites secondaires défensifs (glucosinolates) des écotypes métallicole et non métallicole de T. caerulescens, on constate que les individus d’origine métallicole produisent constitutivement moins de glucosinolates que les individus non métallicoles, tant dans les populations belges que dans les populations françaises. Par ailleurs, sur les sites métallifères où ont évolué les populations métallicoles, on constate à la fois une plus faible pression d’herbivorie sur les plantes (moins de dégâts) et une plus faible densité de gastéropodes que dans les sites normaux. La diminution des défenses chez l’écotype métallicole serait la conséquence d’un relâchement de la pression d’herbivorie sur les sites métallifères. <p>En outre, nous avons montré que la chenille spécialiste d’Issoria lathonia (Nymphalidae) est capable de se développer sur les feuilles riches en Zn de l’accumulatrice de zinc Viola calaminaria (Violaceae) en excrétant efficacement le Zn dans leurs fèces. <p> L’ensemble de nos résultats suggère donc que l’hyperaccumulation des métaux lourds n’a pas évolué en tant que mécanisme de défense contre les herbivores.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie végétale / info:eu-repo/semantics/nonPublished