Plants naturally host complex microbial communities in which the plant and the symbiotic partners act as an integrated metaorganism. These communities include beneficial (i.e. plant growth promoting, PGP) microorganisms which provide fundamental ecological services able to enhance host plant fitness and stress tolerance. PGP microorganisms represent a potential bioresource for agricultural applications, especially for desert farming under the harsh environmental conditions occurring in hot/arid regions (i.e. drought and salinity). In this context, understanding the ecological aspects of the associated microorganisms is crucial to take advantage of their ecological services. Here, hot/desert ecosystems were selected and two contrasting plant categories were used as models: (i) wild plants (i.e. speargrasses) growing in hot-desert sand dunes and (ii) the main crop cultivated in desert ecosystems, the date palm. By using highthroughput DNA sequencing and microscopy, the ecology and functionality of the microbial communities associated with these plants were characterized. Additionally, the PGP services of bacteria isolated from date palm were explored. I found that the harsh conditions of the desert strongly affect the selection and assembly of microbial communities associated with three different speargrass species, determining a plant species-independent core microbiome always present among the three plant species and carrying important PGP traits. On the contrary, in agroecosystems where desert farming practices are used, the plant species, i.e. date palm exerts a stronger selective pressure than the environmental and edaphic factors favoring the recruitment of conserved microbial assemblages, independent of the differences in the soil and environmental conditions among the studied oases. Such selective pressure also favors the recruitment of conserved PGP microorganisms (i.e. Pseudomonas sp. bacterial strains) able to protect their host from salinity stress through the induction of root architectural changes regulated by the modification of the root system auxin homeostasis. Overall, we found that deserts are unique ecosystems that challenge the paradigm of microbial community assembly, as it was defined from studies in non-arid ecosystems. The understanding of the ecological features regulating the ecological properties of such unique microbial community assembly will be a key-step to improve the chances of successful application of ‘PGP microorganisms’ in arid agroecosystems.

La co-culture d’amibes est utilisée afin d’isoler des microorganismes. Ainsi le premier virus géant,fut découvert. Cependant, les méthodes de culture sur protozoaires sont délicates et fastidieuses. De ce fait, le développement de ces cultures représente une difficulté pour les microbiologistes, limitant ainsi l’analyse d’un nombre important d’échantillons et la caractérisation de nouveaux virus. De nouvelles stratégies et des améliorations des modèles actuels sont donc nécessaires. Notre travail a été de développer de nouvelles stratégies permettant l’isolement de microorganismes associés aux amibes. Dans la 1ere partie nos travaux ont permis une amélioration des cultures avec le développement de nouveaux milieux de culture et l’utilisation ciblée d’antimicrobiens.La clé de ces stratégies est l’association des techniques rapides aux étapes améliorées de culture et leur application à un large panel de protozoaires pouvant abriter des microorganismes. Les résultats ont permis le développement d’un système d’isolement à haut débit très efficace. Nous avons notamment mis au point des techniques de tri de virus géants par cytométrie.Dans la seconde partie, nos travaux ont porté sur la description et la caractérisation des nouveaux isolats.Les résultats obtenus démontrent l’importance de poursuivre l’isolement et la caractérisation de ces microorganismes afin de mieux appréhender l’évolution de ces microorganismes, leur biotope et leur pathogénicité.De nouveaux outils sont nécessaires,notre manque d’imagination et l’absence de systèmes automatisés seront les limites aux nouvelles stratégies dans le monde de la microbiologie. / Amoebae are predators without distinction and they can also act as hosts to several different microorganisms that may coexist simultaneously. Some protozoa are sources of human pathogens where they act as reservoir of any human pathogens like Legionellae, Chlamydiaceae and others. In addition, the first giant virus, Acanthamoeba Polyphaga imivirus, was discovered using Amoeba as cell host. Since then, many other giant viruses have been isolated. For decades, amoebae were used as cell hosts in the culture- based process to isolate microorganisms, and allowed to recover new giant viruses and bacterial species from human and environmental samples. In contrast the co-culture system with protozoa is tedious and fastidious. Microbiologists are limited to routine culture methods, limiting by this the speed of screening potential samples and the efficiency of yielding new isolates. Much effort and improvement were needed. Our work consisted in the development of new strategies and techniques for the isolation of new microorganisms associated to protozoa. In the first part of this work, we described, all the improvements we brought to the protists culture system for the isolation of intracellular microorganisms especially giant viruses and Chlamydiaceae. Major improvements were based on modified culture enrichment steps, adapted culture media, and targeted use of specific drugs. The key of this new strategy was the implementation of high-throughput technologies to the ameliorated culture based systems, and the application of this later to a wide panel of protozoa used as potential host cells. These presented advances and strategies demonstrated significant time saving, and higher sensitivity than older techniques, they considerably increased the potential of collecting new environmental or clinical isolates and also new undiscovered microorganisms especially new giant virus familiesand particular Chlamydiaceae associated to amoebae. We continued to ameliorate the efficiency of the flow cytometric technology by reviewing its contributions to the virology field, then by applying it to the isolation system by sorting the new isolates as a new strategy for better genomic and proteomic analysis. In the second part of this work, we focused on the characterization of new isolates at the level of developmental cycle and genomic description. We used electron microscopy, and genome sequencing as main tools to describe our newly isolated giant viruses but also report new species of Chlamydiaceae and managed to decipher Chlamydiaceae species with a host dependent replication cycle, an issue that has not, thus far, been observed in protozoa-associated Chlamydiaceae. The strategies and results described herein show the importance of pursuing the isolation of new associatedamoebal microorganisms in order to give rise to new insights into the evolution of these microorganisms, their respective biotopes, and their potential or hidden pathogenicity. The more we need to search the more tools are needed, only our lack of imagination and appropriate automated systems will put limits on any needed strategy in the field of microbiology.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un groupe de champignons qui appartient à l'embranchement des Gloméromycètes (Glomeromycota). Les CMA forment des associations symbiotiques, connus sous le nom des mycorhizes à arbuscules avec plus de 80 % des plantes vasculaires terrestres. Une fois que les CMA colonisent les racines de plantes, ils améliorent leurs apports nutritionnels, notamment le phosphore et l'azote, et protègent les plantes contre les différents pathogènes du sol. En contrepartie, les plantes offrent un habitat et les ressources de carbone nécessaires pour le développement et la reproduction des CMA. Des études plus récentes ont démontré que les CMA peuvent aussi jouer des rôles clés dans la phytoremédiation des sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces métaliques. Toutefois, dans les écosystèmes naturels, les CMA établissent des associations tripartites avec les plantes hôtes et les microorganismes (bactéries et champignons) qui vivent dans la rhizosphère, l'endosphère (à l'intérieur des racines) et la mycosphère (sur la surface des mycéliums des CMA), dont certains d'entre eux jouent un rôle dans la translocation, l’immobilisation et/ou la dégradation des polluants organiques et inorganiques présents dans le sol. Par conséquent, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés sont influencées par la concentration et la composition des polluants présents dans le sol, et aussi par les différents exsudats sécrétés par les trois partenaires (CMA, bactéries et les racines de plantes). Cependant, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés demeure très peu connue dans les sols contaminés. Les interactions entre les CMA et ces microorganismes sont aussi méconnus aussi bien dans les aires naturelles que contaminées. Dans ce contexte, les objectifs de ma thèse sont: i) étudier la diversité des CMA et les microorganismes qui leur sont associés dans des sols contaminés par les HP, ii) étudier la variation de la diversité des CMA ainsi que celle des microorganismes qui leur sont associés par rapport au niveau de concentration en HP et aux espèces de plantes hôtes, iii) étudier les correlations (covariations) entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés et iv) comparer les communautés microbiennes trouvées dans les racines et sols contaminés par les HP avec celles trouvées en association avec les CMA. Pour ce faire, des spores et/ou des propagules de CMA ont été extraites à partir des racines et des sols de l'environnement racinaire de trois espèces de plantes qui poussaient spontanément dans trois bassins de décantation d'une ancienne raffinerie de pétrole située dans la Rive-Sud du fleuve St-Laurent, près de Montréal. Les spores et les propagules collectées, ainsi que des échantillons du sol et des racines ont été soumis à des techniques de PCR (nous avons ciblés les genes 16S de l'ARNr pour bactéries, les genes 18S de l'ARNr pour CMA et les régions ITS pour les autres champignons), de clonage, de séquençage de Sanger ou de séquençage à haut débit. Ensuite, des analyses bio-informatiques et statistiques ont été réalisées afin d'évaluer les effets des paramètres biotiques et abiotiques sur les communautés des CMA et les microorganismes qui leur sont associés. Mes résultats ont montré une diversité importante de bactéries et de champignons en association avec les spores et les propagules des CMA. De plus, la communauté microbienne associée aux spores des CMA a été significativement affectée par l'affiliation taxonomique des plantes hôtes et les niveaux de concentration en HP. D'autre part, les corrélations positives ou négatives qui ont été observées entre certaines espèces de CMA et microorganismes suggérèrent qu’en plus des effets de la concentration en HP et l'identité des plantes hôtes, les CMA peuvent aussi affecter la structure des communautés microbiennes qui vivent sur leurs spores et mycéliums. La comparaison entre les communautés microbiennes identifiées en association avec les spores et celles identifiées dans les racines montre que les communautés microbiennes recrutées par les CMA sont différentes de celles retrouvées dans les sols et les racines. En conclusion, mon projet de doctorat apporte de nouvelles connaissances importantes sur la diversité des CMA dans un environnement extrêmement pollué par les HP, et démontre que les interactions entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés sont plus compliquées que ce qu’on croyait précédemment. Par conséquent, d'autres travaux de recherche sont recommandés, dans le futur, afin de comprendre les processus de recrutement des microorganismes par les CMA dans les différents environnements. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an important soil fungal group that belongs to the phylum Glomeromycota. AMF form symbiosic associations known as arbuscular mycorrhiza with more than 80% of vascular plants on earth. Once AMF colonize plant roots, they promote nutrient uptake, in particular phosphorus and nitrogen, and protect plants against soil-borne pathogens. In turn, plants provide AMF with carbon resources and habitat. Furthermore, more recent studies demonstrated that AMF may also play key roles in phytoremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbon pollutants (PHP) and trace elements. Though, in natural ecosystems, AMF undergo tripartite associations with host plants and micoorganisms (Bacteria and Fungi) living in rhizosphere (the narrow region of soil surounding the plant roots), endosphere (inside roots) and mycosphere (on the surface AMF mycelia), which some of them play a key role on translocation, immobilization and/or degradation of organic and inorganic pollutants. Consequently, the diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms are influenced by the composition and concentration of pollutants and exudates released by the three partners (AMF, bacteria and plant roots). However, little is known about the diversity of AMF and their associated microorganisms in polluted soils and the interaction between AMF and these microorganisms remains poorly understood both in natural and contaminated areas. In this context, the objectives of my thesis were to: i) study the diversity of AMF and their associated microorganisms in PHP contaminated soils, ii) study the variation in diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms across plant species identity and PHP concentrations, iii) study the correlations (covariations) between AMF species and their associated microorganisms and iv) compare microbial community structures of PHP contaminated soils and roots with those associated with AMF spores in order to determine if the microbial communities shaped on the surface of AMF spores and mycelia are different from those identified in soil and roots. To do so, AMF spores and/or their intraradical propagules were harvested from rhizospheric soil and roots of three plant species growing spontaneously in three distinct waste decantation basins of a former petrochemical plant located on the south shore of the St-Lawrence River, near Montreal. The harvested spores and propagules, as well as samples of soils and roots were subjected to PCR (we target 16S rRNA genes for bacteria, 18S rRNA genes for AMF and ITS regions for the other fungi), cloning, Sanger sequencing or 454 high throughput sequencing. Then, bioinformatics and statistics were performed to evaluate the effects of biotic and abiotic driving forces on AMF and their associated microbial communities. My results showed high fungal and bacterial diversity associated with AMF spores and propagules in PHP contaminated soils. I also observed that the microbial community structures associated with AMF spores were significantly affected by plant species identity and PHP concentrations. Furthermore, I observed positive and negative correlations between some AMF species and some AMF-associated microorganisms, suggesting that in addition to PHP concentrations and plant species identity, AMF species may also play a key role in shaping the microbial community surrounding their spores. Comparisons between the AMF spore-associated microbiome and the whole microbiome found in rhizospheric soil and roots showed that AMF spores recruit a microbiome differing from those found in the surrounding soil and roots. Overall, my PhD project brings a new level of knowledge on AMF diversity on extremely polluted environment and demonstrates that interaction of AMF and their associated microbes is much complex that we though previously. Further investigations are needed to better understand how AMF select and reward their associated microbes in different environments.

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