京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20953号 / 理博第4405号 / 新制||理||1633(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 中野 伸一, 教授 木庭 啓介, 教授 中川 尚史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Integrating crop and livestock is being considered to improve soil health by carbon sequestration. A two-year study (2019-2021) at CPBES in Newton, MS was aimed to evaluate soil microbial diversity in the warm, humid regions, specifically southeastern USA. Amplicons targeting bacterial 16S rRNA genes and fungal ITS2 regions were sequenced. Taxonomic assignment and microbial diversity characterization were performed using QIIME2®. Soil fungal diversity showed significant differences (alpha diversity, p = 0.031 in yr. 2020 and beta diversity, p = 0.037 in yr. 2021). Canonical Correspondence Analysis (CCA) and Mantel test showed significant influence on fungal diversity due to carbon (rm = 0.2581, p = 0.022), nitrogen (rm = 0.2921, p = 0.0165) in yr. 2021, and on bacterial diversity due to EE-GRSP (rm = 0.22, p = 0.02) in yr. 2020. Long term study of ICLS can help us better understand the shift in microbiome to improve crop production sustainably.

The development of safe and efficient gene delivery systems in pluripotent human embryonic stem cells (hESc) is essential to realising their full potential for basic and clinical research. The purpose of this study was to develop an efficient, non-integrating gene expression system in pluripotent hESc using human artificial chromosomes (HAC). Similar to endogenous chromosomes, HAC are capable of gene expression, replication and segregation during cell division. Unlike retroviral-mediated gene delivery vectors, HAC do not integrate into the host genome and can encompass large genomic regions for the delivery of multiple genes. Despite the advantages HAC offer, their use has been limited due to laborious cloning procedures and poor transfection efficiencies, and thus only studied in immortalised and tumour-derived human cell lines. In this study, the high transduction efficiency of herpes simplex virus type-1 (HSV-1) amplicons was utilised to overcome the described difficulties and delivered HAC vectors into pluripotent hESc. Analysis of stable hESc clones showed that de novo gene-expressing HAC were present at high frequencies ranging from 10-70% of metaphases analysed, without integrating into the genome. The established HAC contained an active centromere, and were stably maintained without integration or loss in the absence of selection for 90 days. Stable HAC-containing hESc clones retained their pluripotency as demonstrated by neuronal differentiation, in vitro germ layer and teratoma formation assays. HAC gene expression persisted, with some variation, post-differentiation in the various deriving cell types. This is the first report of successful de novo HAC formation in hESc for gene expression studies. These findings show potential for delivering high-capacity genomic constructs safely and efficiently into pluripotent cells for the purpose of genetic manipulation and ultimately patient-specific somatic gene therapy.

Development of safe and efficient approaches for gene delivery in human embryonic stem cells (hESc) and particularly in human induced pluripotent stem (hiPS) cells, which can be derived in a person-specific manner, is considered to be imperative for harnessing their full potential in both the basic and applied research. The aim of this study was to evaluate the potential of human artificial chromosome (HAC) for gene delivery and expression in hESc and hiPS cells. HAC offers many potential advantages including the provision for carrying large genes with corresponding regulatory elements to obtain long-term regulated gene expression. In addition, they can replicate and segregate independently without integration into the host cell genome. To develop HAC in hiPS cells, the first part of the study was aimed at generating hiPS cells utilising the Herpes Simplex Virus (HSV)-1 amplicon system. With the use of EBNA-1/OriP retention elements incorporated into the HSV-1 amplicon vectors, hiPS cells completely free of vector and transgenes sequences were successfully derived from human embryonic fibroblasts. The hiPS cells exhibited proliferation and differentiation potential similar to that of hESc. In the second part of the study, development of HAC in hESc and hiPS cells was assessed by utilising the HSV-1 amplicon system to deliver the HAC DNA. Analysis of the hESc confirmed the presence of functional HAC which replicated the behaviour of the host chromosomes. Additionally, HAC generation did not lead to impairment in the developmental potential and pluripotency of hESc. The hiPS cells supported HAC at low frequency but DNA also integrated into the host chromosomes. The HAC system, therefore, needs further refinements to improve the frequency of HAC formation and reduce the chromosomal integration of HAC constructs in hiPS cells. Overall, these findings provide a simple and safe way of pluripotency induction and genetic modification of pluripotent stem cells using the HSV-1 amplicon system and represent an important advance towards patient specific gene and cell therapy.

Le mutualisme entre les plantes et les champignons arbusculaires mycorhiziens est extrêmement répandu (~ 80% des plantes sont colonisées par ces organismes) et ancien (il ya plus de 450 millions d'années). Cette relation symbiotique est une composante essentielle du fonctionnement des écosystèmes et de leur productivité, et est fortement impliqué dans le cycle de deux éléments clés: le phosphore et le carbone. Le maintien de ce mutualisme est devenu particulièrement important dans le contexte actuel de perte de biodiversité. Un des objectifs de cette thèse était de comprendre la stabilité de ce mutualisme. L'accent a tout d'abord été mis sur les échanges de nutriments impliqués dans cette symbiose, en testant si la plante hôte et les symbiotes fongiques sont capables de discriminer leurs différents partenaires, et d'allouer davantage de ressources aux partenaires fournissant plus de nutriments. J'ai ensuite étudié la possibilité de l'implication de la plante hôte dans la protection des symbiotes mycorhiziens via un transfert de métabolites secondaires dans les hyphes. Nous avons alors pu emettre une nouvelle hypothèse suggérant que la protection en métabolites secondaires venant de la plante serait positivement corrélée avec le niveau de coopération (à savoir le transfert des nutriments) du champignon symbiotique. L'echelle d'étude est ensuite passée de l'individu à la communauté en étudiant les effets de la diminution de la diversité végétale sur la diversité des symbiotes racinaires. Pour ce faire, des analyses moléculaires et des outils novateurs ont été utilisés, tels que le séquençage à haut débit. Pour faciliter encore l'étude des séquences obtenues et d'autres séquences fongiques, j'ai collaboré avec des collègues afin de créer une base de données 'Phymyco-DB' rendue publique en 2012. Enfin, je discute de l'implication du mutualisme mycorhizien dans le contexte des systèmes agricoles actuels et propose de nouvelles trajectoires pour gérer ces systèmes. Ce projet de thèse apporte un nouvel éclairage sur la façon dont fonctionnent ces interactions entre les plantes et champignons MA et sur la manière dont ils façonnent les processus écologiques et les trajectoires évolutives dans les écosystèmes naturels et agricoles. Ces points sont d'une importance majeure pour développer une agriculture plus écologiquement intensive et durable. Le projet a fourni de nouvelles connaissances et perspectives sur la perte de la diversité végétale, et ses conséquences pour la stabilité de la symbiose AM. Comme les champignons mycorhiziens sont essentiels dans les processus des écosystèmes et l'entretien de la fertilité des sols, ce travail devrait avoir un large impact dans (i) la politique de protection des sols, (ii) la recherche sur l'amélioration des plantes et (iii) la conception de systèmes agricoles durables. / The mutualism between plants and arbuscular mycorrhizal fungi is extremely widespread (~ 80% of plants are colonized by these organisms) and ancient (over 450 million years ago). This symbiotic relationship is an essential component of healthy ecosystem functioning and productivity, and is strongly involved in the cycle of two key elements: phosphorus and carbon. Maintaining this mutualism has become especially important in the current context of a biodiversity loss. One goal of this thesis was to understand the stability of the mutualism. I first focused on nutrient exchange, testing whether plant host and fungal symbionts are able to discriminate among partners, and allocate more resources to those individuals providing more nutrients. I then explored the possibility of the host-plant involvement in the protection of mycorrhizal symbionts via a transfer of secondary metabolites into fungal hyphae. We introduced a new hypothesis suggesting that chemcial protection from the plant is positively correlated with the level of cooperation (i.e. nutrient transfer) of the fungal symbiont. I then moved from the individual to the community by studying the effects of decreasing plant diversity on the diversity of root symbionts. To this aim, I utilized molecular analyzes and innovative tools, such as high throughput sequencing. To further facilitate the study of the obtained sequences and other fungal sequences, I worked with colleagues to create a database ‘Phymyco-DB’ which was released to the public in 2012. Finally, I discuss the implication of the mycorrhizal mutualism in the context of current agricultural systems and propose new trajectories to manage these systems. This PhD project provides new insights on how plant and AM fungi interactions work and how they shape ecological processes and evolutionary trajectories in natural and agricultural ecosystems. These points are of major importance to develop a more ecologically intensive agriculture. The project has provided new knowledge and perspectives on the loss of plant diversity, and its consequences for AM symbiosis stability. As arbuscular mycorrhizal fungi are essential in ecosystem processes and soil fertility maintenance, this work should have a broad impact in (i) the soil protection policy, (ii) the research on plant breeding and (iii) the design of sustainable agricultural systems.

Our understanding of microbial evolution is largely dependent on available genomic data of diverse organisms. Yet, genome-sequencing efforts have mostly ignored the diverse uncultivable majority in favor of cultivable and sociologically relevant organisms. In this thesis, I have applied and developed cultivation independent methods to explore microbial diversity and obtain genomic data in an unbiased manner. The obtained genomes were then used to study the evolution of mitochondria, Rickettsiales and Haloarchaea. Metagenomic binning of oceanic samples recovered draft genomes for thirteen novel Alphaproteobacteria-related lineages. Phylogenomics analyses utilizing the improved taxon sample suggested that mitochondria are not related to Rickettsiales but rather evolved from a proteobacterial lineage closely related to all sampled alphaproteobacteria. Single-cell genomics and metagenomics of lake and oceanic samples, respectively, identified previously unobserved Rickettsiales-related lineages. They branched early relative to characterized Rickettsiales and encoded flagellar genes, a feature once thought absent in this order. Flagella are most likely an ancestral feature, and were independently lost during Rickettsiales diversification. In addition, preliminary analyses suggest that ATP/ADP translocase, the marker for energy parasitism, was acquired after the acquisition of type IV secretion systems during the emergence of the Rickettsiales. Further exploration of the oceanic samples yielded the first draft genomes of Marine Group IV archaea, the closest known relatives of the Haloarchaea. The halophilic and generally aerobic Haloarchaea are thought to have evolved from an anaerobic methanogenic ancestor. The MG-IV genomes allowed us to study this enigmatic evolutionary transition. Preliminary ancestral reconstruction analyses suggest a gradual loss of methanogenesis and adaptation to an aerobic lifestyle, respectively. The thesis further presents a new amplicon sequencing method that captures near full-length 16S and 23S rRNA genes of environmental prokaryotes. The method exploits PacBio's long read technology and the frequent proximity of these genes in prokaryotic genomes. Compared to traditional partial 16S amplicon sequencing, our method classifies environmental lineages that are distantly related to reference taxa more confidently. In conclusion, this thesis provides new insights into the origins of mitochondria, Rickettsiales and Haloarchaea and illustrates the power of cultivation independent methods with respect to the study of microbial evolution.

Le microbiome de la rhizosphère fait généralement référence aux communautés bactériennes, archées et fongiques ainsi qu'à leur matériel génétique entourant étroitement les systèmes racinaires des plantes. Le métagénome de ce microbiome a été appelé le deuxième génome de la plante puisqu’elle est capable de profiter de plusieurs fonctions dont elle manque. La communauté microbienne de la rhizosphère inclue entre autres des microorganismes ayant développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Il s'agit d'une communauté dynamique de microorganismes, à partir de laquelle une partie d’espèces a développé des interactions intimes et spécifiques de longue durée avec les racines des plantes. Les progrès récents dans l’étude des interactions plantes-microbes ont démontré leur impact considérable sur la croissance, la nutrition et la santé des plantes. Le microbiote de la rhizosphère est complexe avec une structure spatio-temporelle dynamique qui s'adapte rapidement en fonction des stress biotiques et abiotiques. Considérant l’importance du microbiome de la rhizosphère pour la santé des plantes, des informations précises sur leurs microbes associés sont d'une importance capitale pour déchiffrer les mécanismes d'adaptation des plantes aux stress médiés par le microbiome et comprendre comment les plantes recrutent des taxons microbiens clés pour mieux faire face aux conditions stressantes. Pour ce faire, nous avons mené trois études afin de faire la lumière sur les facteurs qui jouent un rôle dans le recrutement et la structure du microbiome de la rhizosphère de plantes dans les milieux stressés. Dans un premier lieu, nous avons testé si des inoculations répétées avec des protéobactéries influençaient la productivité des plantes et les communautés microbiennes associées à la rhizosphère de quatre espèces végétales poussant dans des sédiments contaminés par des hydrocarbures pétroliers. Une expérience de mésocosme a été réalisée en conception de blocs randomisés avec deux facteurs : 1) la présence ou l'absence de quatre espèces végétales collectées dans un bassin de sédimentation d'une ancienne usine pétrochimique, et 2) l'inoculation ou non avec un consortium bactérien composé de dix isolats de Protéobactéries. Les plantes ont été cultivées en serre pendant quatre mois. Le séquençage d'amplicon MiSeq, ciblant le gène de l'ARNr 16S bactérien l’ITS fongique, a été utilisé pour évaluer les structures de la communauté microbienne des sédiments provenant de mesocosmes plantés ou non plantés. Nos résultats ont montré qu’alors que l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés microbiennes, la présence de la plante et de son identité spécifique avait une influence plus forte sur la structure du microbiome dans les sédiments contaminés par les hydrocarbures pétroliers. Ensuite, en utilisant le même dispositif expérimental, nous avons utilisé le séquençage d'amplicon MiSeq ciblant le gène de l'ARNr 18S pour évaluer les structures communautaires AMF dans les racines et la rhizosphère de plantes poussant dans des substrats contaminés et non contaminés. Nous avons également étudié la contribution de l'identité spécifique des plantes et du biotope (racines des plantes et sol rhizosphérique) dans la formation des assemblages AMF associés. Nos résultats ont montré que si l'inoculation provoquait un changement significatif dans les communautés AMF, la contamination du substrat avait une influence beaucoup plus forte sur leur structure, suivie par le biotope et l'identité végétale dans une moindre mesure. De plus, l'inoculation augmentait considérablement la production de biomasse végétale et était associée à une diminution de la dissipation des hydrocarbures pétroliers dans le sol contaminé. Le résultat de cette étude fournit des connaissances sur les facteurs influençant la diversité et la structure communautaire de l'AMF associée aux plantes en milieux stressés à la suite d’inoculations répétées d'un consortium bactérien. Finalement, nous avons testé l’effet d’une inoculation d’arbres avec des champignons mycorhiziens spécifiques sur leur survie et croissance, ainsi que l’extraction de métaux traces. Pour ce faire, une expérience sur le terrain a été menée dans laquelle nous avons cultivé le clone de Salix miyabeana "SX67" sur le site d'une décharge industrielle déclassée, et inoculé les arbustes avec le champignon arbusculaire mycorhizien Rhizophagus irregularis, le champignon ectomycorhizien Sphaerosporella brunnea, ou un mélange des deux. Après deux saisons de croissance, les saules inoculés avec le champignon S. brunnea ont produit une biomasse significativement plus élevée. Le Ba, le Cd et le Zn se sont avérés être accumulés dans les parties aériennes des plantes, où le Cd présentait les valeurs de facteur de bioconcentration les plus élevées dans tous les traitements. De plus, les parcelles où les saules ont reçu l'inoculation de S. brunnea ont montré une diminution significative des concentrations de Cu, Pb et Sn dans le sol. L'inoculation avec R. irregularis ainsi que la double inoculation n'ont pas influencé de manière significative la production de biomasse et les niveaux d’éléments traces du sol. Le résultat de cette étude apporte des connaissances sur la diversité et l’écophysiologie des microbes de la rhizosphère associés aux plantes de croissance spontanée à la suite d’inoculations répétées. De plus ils montrent le potentiel de l’utilisation de champignons mycorhiziens afin d’améliorer la santé et croissance des plantes dans des milieux pollués et toxiques. Ils soulignent aussi l'importance de la sélection des plantes afin de faciliter leur gestion efficace et accélérer les processus de remise en état des terres. / The rhizosphere microbiome generally refers to the bacterial, archaea, and fungal communities and their genetic material that closely surrounds the root systems of plants. The metagenome of this microbiome has been called the second genome of the plant because it is able to take advantage of several functions that it lacks. It is a vibrant community of microorganisms, from which part of the species has developed long-lasting, specific and intimate interactions with plant roots. Recent advances in the study of plant-microbe interactions have demonstrated their considerable impact on plant growth, nutrition and health. The rhizosphere microbiota is complex with a dynamic spatio-temporal structure which adapts rapidly to biotic and abiotic stresses. Considering the importance of the rhizosphere microbiome to plant health, accurate information about their associated microbes is of utmost importance in deciphering the mechanisms of plant adaptation to microbiome-mediated stress, and understanding how plants recruit key microbial taxa to better cope with stressful conditions. To do this, we conducted three studies to shed light on the factors that play a role in the recruitment and structure of the microbiome of the rhizosphere of plants in stressed environments. First, we tested whether repeated inoculations with Proteobacteria influenced the productivity of plants and the microbial communities associated with the rhizosphere of four plant species growing in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. A mesocosm experiment was carried out in design of randomized blocks with two factors: 1) the presence or absence of four plant species collected in a sedimentation basin of a former petrochemical plant, and 2) inoculation or not with a bacterial consortium made up of ten isolates of Proteobacteria. The plants were grown in the greenhouse for four months. MiSeq amplicon sequencing, targeting the bacterial 16S rRNA gene and the fungal ITS, was used to assess the microbial community structures of sediments from planted and unplanted microcosms. Our results showed that while inoculation caused a significant change in microbial communities, the presence of the plant and its specific identity had a stronger influence on the structure of the microbiome in sediments contaminated with petroleum hydrocarbons. Next, using the same experimental setup, we used MiSeq amplicon sequencing targeting the 18S rRNA gene to assess AMF community structures in the roots and rhizosphere of plants growing in contaminated and uncontaminated substrates. We also studied the contribution of the specific identity of plants and the biotope (plant roots and rhizospheric soil) in the formation of associated AMF assemblages. Our results showed that while inoculation caused a significant change in AMF communities, substrate contamination had a much stronger influence on their structure, followed by biotope and plant identity to a lesser extent. In addition, inoculation dramatically increased plant biomass production and was associated with decreased dissipation of petroleum hydrocarbons in contaminated soil. The result of this study provides knowledge on the factors influencing the diversity and community structure of AMF associated with plants in stressed environments following repeated inoculations of a bacterial consortium. Finally, we tested the effect of inoculating trees with specific mycorrhizal fungi on their survival and growth, as well as the extraction of trace metals. To do this, a field experiment was carried out in which we cultivated the Salix miyabeana "SX67" clone on the site of a decommissioned industrial landfill and inoculated the shrubs with the arbuscular mycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis, the ectomycorrhizal fungus Sphaerosporella brunnea, or a mixture of both. After two growing seasons, willows inoculated with the fungus S. brunnea produced a significantly higher biomass. Ba, Cd and Zn were found to accumulate in the aerial parts of plants, where Cd had the highest bioconcentration factor values in all treatments. In addition, the plots where the willows were inoculated with S. brunnea showed a significant decrease in the concentrations of Cu, Pb and Sn in the soil. The inoculation with R. irregularis as well as the double inoculation did not significantly influence the biomass production and the soil trace elements levels The result of this study provides insight into the diversity and ecophysiology of rhizosphere microbes associated with spontaneously growing plants following repeated inoculations. In addition, they show the potential of using mycorrhizal fungi to improve plant health and growth in polluted and toxic environments. They also stress the importance of plant selection to facilitate their efficient management, in order to speed up land reclamation processes.

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.

Le bleuet sauvage (Vaccinium angustifolium Ait. et V. myrtilloides Michaux) représente un marché en plein essor au Canada, premier pays producteur et exportateur mondial de ce fruit. Pour faire face à la demande, les producteurs cherchent continuellement à adapter leurs pratiques de production dans le but d’améliorer leur rendement et l'état de santé de leurs bleuetiers. Or, les micro-organismes présents dans les racines et dans le sol jouent un rôle non négligeable en lien avec la santé des plantes. Ce microbiote est donc d’intérêt d’un point de vue agronomique, pourtant, contrairement à d’autres cultures, très peu d’études se sont penchées spécifiquement sur le microbiote du milieu racinaire du bleuetier sauvage. Ce doctorat s’inscrit donc dans l’optique d’accroître les connaissances sur les communautés bactériennes et fongiques présentes dans les bleuetières au Québec. Les objectifs de ce projet sont de détecter les taxons qui pourraient avoir un impact sur les variables agronomiques des bleuetiers telles que le rendement; d’identifier les variables physico-chimiques du sol influençant ces communautés; et d’étudier les impacts que peuvent avoir les différentes pratiques agricoles, telles que la fertilisation et la fauche thermique, sur ces micro-organismes. Nous nous sommes appuyés sur le séquençage de nouvelle génération et le métacodage à barres de l’ADN environnemental de nos échantillons de racines et de sol afin d’obtenir une analyse des communautés bactériennes et fongiques de la rhizosphère et des racines des bleuetiers. Les analyses multivariées effectuées par la suite permettent de comparer ces communautés et de voir si certaines espèces sont spécifiques à une condition particulière. Dans l’ensemble, cette thèse a donc permis de caractériser les communautés fongiques et bactériennes du milieu racinaire du bleuetier sauvage in situ dans plusieurs bleuetières du Québec. De nombreuses espèces de champignons mycorhiziens éricoïdes ont été systématiquement identifiées dans les trois études et leur prédominance suggère leur importance pour le bleuetier sauvage. Nous avons également trouvé que l’ordre bactérien des Rhizobiales, connu pour sa capacité à fixer l’azote atmosphérique, occupait une part importante de la communauté bactérienne. Les études sur la fertilisation et la fauche thermique ont démontré que ces deux pratiques agricoles avaient peu d’impact significatif sur les communautés microbiennes étudiées. Enfin, cette thèse donne des pistes de réflexion sur la fixation d’azote par les communautés bactériennes et pose les premières bases pour des essais de bio-inoculation avec les espèces fongiques et bactériennes détectées ayant un potentiel impact bénéfique sur la culture des bleuets sauvages. / The wild blueberry (Vaccinium angustifolium Ait. and V. myrtilloides Michaux) market is booming in Canada, the world's leading producer and exporter of this fruit. In order to meet the demand, growers are constantly trying to adapt their production practices to improve their yields and the health of their blueberry fields. Micro-organisms present in the roots and in the soil play a significant role in the health of the plants. This microbiota is therefore of interest from an agronomic point of view, yet, contrary to other crops, very few studies have been conducted specifically on the microbiota of the root environment of wild blueberries. This doctoral project therefore aims at increasing our knowledge of the bacterial and fungal communities present in wild blueberry fields in Quebec. The objectives of this project are to detect taxa that could have an impact on agronomic variables of wild blueberry fields such as fruit yield; to identify soil physico-chemical variables influencing these communities; and to study the impacts that different agricultural practices, such as fertilization or thermal pruning, may have on these micro-organisms. We relied on next generation sequencing and metabarcoding of environmental DNA from our root and soil samples to obtain an analysis of the bacterial and fungal communities in the rhizosphere and roots of blueberry shrubs. Subsequent multivariate analyses allow us to compare these communities and see if certain species are specific to a particular condition. Overall, this thesis has characterized the fungal and bacterial communities in the root environment of wild blueberry in situ in several Quebec wild blueberry fields. Numerous species of ericoid mycorrhizal fungi were systematically identified in all three studies, and their predominance suggests their importance to wild blueberries. We also found that the bacterial order Rhizobiales, known for its ability to fix atmospheric nitrogen, occupied an important part of the bacterial community. Studies on fertilization and thermal mowing showed that these two agricultural practices have limited significant impacts on the microbial communities studied. Finally, this thesis provides insights into nitrogen fixation by bacterial communities and lays the groundwork for bio-inoculation trials with the fungal and bacterial species detected to have a potential beneficial impact on wild blueberry cultivation.