Les activités humaines génèrent des stress environnementaux pouvant entrainer l’extinction des populations végétales. Dès lors, la survie de ces populations nécessite l’évolution rapide de traits adaptatifs, qui augmenterait leur capacité de tolérance à ces stress d'origine anthropique. Par exemple, la colonisation d’un site métallifère nécessite l'évolution d'une capacité à tolérer les fortes concentrations en éléments traces métalliques (ETM) dans le sol. La tolérance aux métaux est ainsi généralement plus élevée chez les espèces se développant exclusivement sur sols métallifères (métallophytes strictes), et dans les populations métallicoles des espèces se développant occasionnellement sur sols métallifères (pseudométallophytes). Néanmoins, les mécanismes évolutifs permettant une augmentation de la tolérance aux métaux restent mal compris. Dans ce contexte, un projet d’évolution expérimentale a été initié dans le but d’observer l’effet du zinc sur l’évolution d’une population non-métallicole de l’espèce pseudométallophyte, Noccaea caerulescens. Pour cela, plusieurs populations métallicoles et non-métallicoles ont été échantillonnées afin de constituer quatre populations expérimentales (EP) qui ont été cultivées en mésocosme. Une EP d'origine non-métallicole a été exposée à un sol non contaminé (EP1), deux EP d'origine non-métallicole ont été exposées à sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP2 et EP3) et une EP d'origine métallicole a été exposée à un sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP4). A chaque génération, la performance de chaque individu a été mesurée, et les graines récoltées, de façon à construire la génération suivante. Après deux générations, plusieurs réplicas des populations dérivées et ancestrales de chaque EP ont été cultivées en conditions contrôlées dans différentes conditions d'exposition au zinc (750 mg.kg-1 et 2000 mg.kg-1 ). Leurs capacités de tolérance ont été évaluées à travers la mesure de plusieurs traits fonctionnels. Les résultats de cette étude montrent que le zinc représente effectivement une pression de sélection pour les populations non-métallicoles de Noccaea caerulescens, qui entraine une surreprésentation de certaines descendances à la génération suivante. Cette sélection semble avoir affecté de façon similaire les deux populations expérimentales d'origine non-métallicoles soumises au zinc (EP2 et EP3). En comparant différents traits fonctionnels morphologiques, physiologiques et phénologiques, potentiellement impliqués dans la tolérance aux métaux entre populations dérivées et ancestrales, nous observons une réponse phénotypique forte des populations EP2 et EP3 avec, notamment, une augmentation significatives de quasiment tous les traits morphologiques en lien avec la croissance des individus (nombre de feuilles, surface de la plante, hauteur de la plante, etc.). / Human activities generate environmental stresses that can lead to the extinction of plant populations. Therefore, the survival of these populations requires the rapid evolution of adaptive traits, which would increase their ability to tolerate these anthropogenic stresses. For example, the colonization of a metalliferous site requires the evolution of an ability to tolerate high concentrations of metal trace elements (MTE) in the soil. Thus, metal tolerance is generally higher in species growing exclusively on metalliferous soils (strict metallophytes), and in metallicolous populations of species growing occasionally on metalliferous soils (pseudometallophytes). However, the evolving mechanisms for increasing metal tolerance remain unclear. In this context, an experimental evolution project was initiated to observe the effect of zinc on the evolution of a nonmetallicolous population of the pseudometallophyte, Noccaea caerulescens. For this purpose, several metallicolous and nonmetallicolous populations were sampled to form four experimental populations (EP) that were cultured in mesocosm. One nonmetallicolous EP was exposed to uncontaminated soil (EP1), two non-metallicolous EPs were exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP2 and EP3) and one metallicolous EP was exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP4). In each generation, the performance of each individual was measured, and the seeds were harvested, in order to build the next generation. After two generations, several replicas of the derived and ancestral populations of each EP were cultivated in controlled conditions under different zinc doses (750 mg.kg-1 and 2000 mg.kg-1 ). Their tolerance abilities were assessed through the measurement of several functional traits. Results of this study showed that zinc represent a selection pressure for nonmetallicolous populations of Noccaea caerulescens, leading to an over-representation of some offspring in the next generation. This selection seemed to similarly affected EP2 and EP3. Comparison of different morphological, physiological and phenological functional traits, potentially involved in metal tolerance, between derived and ancestral populations showed strong phenotypic response of EP2 and EP3 with a significant increase in almost all morphological traits related to individual growth (number of leaves, plant surface, plant height, etc.).

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.

The arctic is currently experiencing some of the greatest rates of warming. Newly emerging diseases in the arctic are of particular interest due to the implications these may have at southern latitudes if temperatures continue to rise around the globe. It is important to document changes in pathogen populations, such as alterations in range, virulence, prevalence, and abundance, and the effect these may have on their host populations. Parasites influence the reproductive success of their hosts in some cases. Studies on impacts of ectoparasites on avian reproductive success have generally been focused on species with altricial young. I studied the abundance of an apparently newly emerging nest-parasite and the effects of this parasite on Rosss (<i>Chen rossii</i>) and lesser snow goose (<i>Chen caerulescens caerulescens</i>) reproductive success in the Karrak Lake goose colony, Nunavut, Canada from 2001 to 2004. <p>The nest parasite, identified as the flea <i>Ceratophyllus vagabundus vagabundus</i>, was associated with goose eggs covered with spots of blood. The proportion of goose egg-shells covered by blood was positively correlated with flea abundance in the nest. This relationship allowed the use egg blood-coverage as an index of flea abundance for remaining analyses. Flea abundance in goose nests was associated with variables associated with the host and the hosts habitat. I used general linear models in conjunction with Akaikes information criterion (AIC) to determine which factors were most important in influencing flea abundance in goose nests. The most parsimonious model to explain the relationship between egg blood coverage and flea abundance in goose nests included goose clutch size, age of nest bowl (new vs. old), history of nesting by geese on a specific plot within the colony, habitat within 0.5m of nest, and year. The best predictor of flea abundance was the age of the nest bowl, with nest bowls re-used by geese containing more fleas than new bowls. This relationship was expected as fleas over-wintered in goose nests at the Karrak Lake colony.<p> Logistic regression and AIC were used to determine whether egg blood-coverage was an important variable influencing nest success. All top five models included blood-coverage. Goose nest success was negatively influenced by fleas in most years. There was a threshold of egg blood-coverage at which nest success was affected, and this threshold varied, with >20% blood indicating a significant decline in nest success in two years, and >5% blood-coverage indicating a decrease in nest success in one year. To my knowledge, this is the first study that has examined the parasites of avian nests in an arctic ecosystem and was also the first to investigate the effect of nest parasites on birds with precocial young. More research is needed to determine what factors limit this flea population and whether fleas may become a regulating factor for geese in the Karrak Lake colony.

The arctic is currently experiencing some of the greatest rates of warming. Newly emerging diseases in the arctic are of particular interest due to the implications these may have at southern latitudes if temperatures continue to rise around the globe. It is important to document changes in pathogen populations, such as alterations in range, virulence, prevalence, and abundance, and the effect these may have on their host populations. Parasites influence the reproductive success of their hosts in some cases. Studies on impacts of ectoparasites on avian reproductive success have generally been focused on species with altricial young. I studied the abundance of an apparently newly emerging nest-parasite and the effects of this parasite on Rosss (<i>Chen rossii</i>) and lesser snow goose (<i>Chen caerulescens caerulescens</i>) reproductive success in the Karrak Lake goose colony, Nunavut, Canada from 2001 to 2004. <p>The nest parasite, identified as the flea <i>Ceratophyllus vagabundus vagabundus</i>, was associated with goose eggs covered with spots of blood. The proportion of goose egg-shells covered by blood was positively correlated with flea abundance in the nest. This relationship allowed the use egg blood-coverage as an index of flea abundance for remaining analyses. Flea abundance in goose nests was associated with variables associated with the host and the hosts habitat. I used general linear models in conjunction with Akaikes information criterion (AIC) to determine which factors were most important in influencing flea abundance in goose nests. The most parsimonious model to explain the relationship between egg blood coverage and flea abundance in goose nests included goose clutch size, age of nest bowl (new vs. old), history of nesting by geese on a specific plot within the colony, habitat within 0.5m of nest, and year. The best predictor of flea abundance was the age of the nest bowl, with nest bowls re-used by geese containing more fleas than new bowls. This relationship was expected as fleas over-wintered in goose nests at the Karrak Lake colony.<p> Logistic regression and AIC were used to determine whether egg blood-coverage was an important variable influencing nest success. All top five models included blood-coverage. Goose nest success was negatively influenced by fleas in most years. There was a threshold of egg blood-coverage at which nest success was affected, and this threshold varied, with >20% blood indicating a significant decline in nest success in two years, and >5% blood-coverage indicating a decrease in nest success in one year. To my knowledge, this is the first study that has examined the parasites of avian nests in an arctic ecosystem and was also the first to investigate the effect of nest parasites on birds with precocial young. More research is needed to determine what factors limit this flea population and whether fleas may become a regulating factor for geese in the Karrak Lake colony.

La prédiction du transfert de cadmium du sol à la plante passe par l'élaboration d'un modèle décrivant la dynamique du métal dans le végétal. Cette thèse analyse les cinétiques d'accumulation du Cd dans Noccaea caerulescens, à l'échelle de la plante entière, de ses organes et au cours de son cycle de végétation. Elle cherche également à établir un modèle prédictif simple, fondé sur les relations entre concentrations d'exposition et en Cd dans la plante. Lorsque N. caerulescens est exposée à une concentration constante en conditions contrôlées, l'allocation de biomasse et la translocation du Cd aux parties aériennes sont constantes dans le temps. Une relation linéaire étroite existe entre la quantité de Cd prélevé, la biomasse et la concentration d'exposition, représentée par le facteur de bioconcentration (BCF). Le développement de la plante n'a pas d'effet sur l'influx racinaire en Cd, qui reste constant dans le temps et proportionnel à l'exposition. Ces résultats suggèrent que le Cd est alloué aux différents tissus aériens de la plante sans prédilection. A contrario, lors des cultures extérieures en terre, les concentrations en Cd, Ni et Zn diminuent au cours du temps après la vernalisation. Les trois métaux ont des comportements similaires en termes d'accumulation dans les différents tissus. La quantité maximale de Cd dans les organes aériens est observée à 2100°Cj. Lorsque la plante est en fleur, elle ne semble pas présenter d'organe aérien privilégié pour l'hyperaccumulation du Cd, les BCF étant constants dans le temps. L'utilisation du BCF permet une prédiction correcte des concentrations dans les parties aériennes, contrairement au modèle de Barber-Cushman / Prediction of cadmium transfer from soil to plant can be achieved by the development of a model describing metal dynamics in the plant. This thesis analyzes Cd accumulation and distribution kinetics in Noccaea caerulescens, in the whole plant and its organs during a growth cycle. A simple predictive model, based on the relationship between Cd exposure concentration and plant Cd concentration, is also developped. This work is based on long-term experiments in controlled conditions with a constant exposure and on outside soil experiments. When N. caerulescens is exposed to a constant concentration under controlled conditions, biomass allocation and Cd translocation to the shoots are constant over time. A strong linear relationship exists between the amount of Cd taken up, biomass and exposure concentration, represented by the bioconcentration factor (BCF). The plant development has no effect on Cd root influx, which remains constant during time and proportional to Cd exposure concentration. These results suggest that Cd is allocated to the various shoots? tissues without predilection. On the other hand, in the field, Cd, Ni, end Zn concentrations in shoots decrease over time after vernalization. The three metals have similar behaviors in terms of accumulation in the different tissues. The maximum amount of Cd in shoots is observed at 2100°Cdays. When the plant is in flower, no privileged shoots parts appear in Cd hyperaccumulation, the BCF is constant over time. The use of the BCF, measured in controlled conditions, allows a correct prediction of shoots concentrations, unlike the Barber-Cushman model

Noccaea caerulescens est la principale Brassicacée hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn, candidate pour la phytoremédiation des sols contaminés. La distribution de l'espèce se caractérise par une importante hétérogénéité des facteurs environnementaux, et plus particulièrement en ce qui concerne la nature des sols. En outre, des variations importantes de la capacité d'hyperaccumulation entre les populations de l'espèce ont déjà été observées. Dès lors, à partir d'un vaste échantillonnage en France et ses régions limitrophes, l'objectif de cette thèse était de : i) mieux appréhender l'écologie de N. caerulescens notamment les composantes édaphiques de son habitat, iii) comparer les capacités d'accumulation en Cd, Ni et Zn et, iii) déterminer les relations génétiques entre les populations. Nos résultats montrent que N. caerulescens est largement répandue dans les massifs montagneux et que l'espèce n'est pas inféodée aux sites métallifères vu le nombre de stations en milieu non minier. Par ailleurs, les stations se caractérisent par une très large amplitude des paramètres édaphiques conduisant à proposer une nouvelle classification des stations. Concernant l'accumulation des éléments en traces in situ, nous avons démontré que la biodisponibilité ne permettait pas d'expliquer seule les concentrations observées dans la plante. Par ailleurs, des cultures en hydroponie ont mis en évidences un compromis entre l'allocation du carbone et l'accumulation des éléments en traces en particulier chez les populations sur serpentines. Enfin, l'analyse de la structure génétique neutre a fait ressortir trois zones géographiques fortement différenciées, sans cohérence avec le type de milieu / Noccaea caerulescens (Brassicaceae) is the main hyperaccumulator of Cd, Ni and Zn, candidate for phytoremediation of contaminated soils. The distribution of the species is characterized by a high degree of heterogeneity of environmental factors, especially concerning the soil composition. In addition, significant variations in the hyperaccumulation ability between populations of the species have been observed. Therefore, from a broad sampling in France and its neighboring regions, the aim of this thesis was: i) a better understanding of the ecology of N. caerulescens including soil habitat components, iii) a comparison of the ability of populations to accumulate Cd, Ni and Zn and iii) the assessment of the genetic structure among populations. Our results show that N. caerulescens is widespread in the French mountains and not restricted to the metalliferous sites given the large number of non-metalliferous stations explored. In addition, the prospected stations are characterized by a wide range in the soil composition leading to propose a new classification of N. caerulescens stations. On the accumulation of trace elements in situ, we have shown that the bioavailability of trace elements was not the only factor explaining the observed concentrations in the plant. Moreover, hydroponic cultures highlighted a compromise between carbon allocation and accumulation of trace elements especially in serpentine populations. Finally, the analysis of the neutral genetic structure highlighted three geographic regions highly differentiated, but not consistent with the edaphic type

Chez les espèces longévives, une relation inverse entre la variabilité des paramètres démographiques et leur élasticité (i.e. la contribution relative du paramètre au taux de croissance de la population) semble exister. La théorie de la canalisation environnementale permet d'expliquer une telle relation. Les paramètres ayant la plus haute élasticité auraient évolué de façon à être moins variable face aux variations environnementales afin d'optimiser la fitness individuelle et ainsi maximiser la croissance de la population. Afin de tester l'existence d'une telle hypothèse chez une espèce, il est nécessaire d'estimer les paramètres démographiques ainsi que leur contribution relative au taux de croissance. À l'aide des modèles les plus récents de capture-marquage-recapture, nous avons donc estimé les paramètres de survie juvénile et de reproduction chez la grande oie des neiges pour les comparer au taux de survie adulte, paramètre le plus élastique.Notre étude a montré que les paramètres de survie juvéniles et de probabilité de nicher étaient très variables, tel qu'attendu. Le taux de survie juvénile dépend des conditions environnementales, avec notamment un fort effet du parasitisme. En vermifugeant des individus, nous avons trouvé un effet négatif des parasites intestinaux sur la survie des oies juvéniles femelles mais pas sur celle des mâles, ce qui s'explique probablement par une différence d'investissement dans le système immunitaire en fonction du sexe chez les individus en croissance. La probabilité de nicher est également dépendante des conditions environnementales mais notre étude a également révélé l'existence de coûts associés à la reproduction. En effet, la probabilité de nicher l'année suivante était fortement réduite suite à une reproduction avec succès comparé aux individus qui avaient eu un échec. Par contre, parmi les individus qui nichent, ceux qui avaient du succès l'année précédente avaient plus de chance d'avoir à nouveau du succès l'année suivante que ceux qui avaient eu un échec, ce qui suggère une hétérogénéité dans la qualité des individus. En parallèle de ces estimations, nous avons montré que le taux de survie adulte était constant au cours du temps et indépendante du statut reproducteur l'année précédente. Finalement, nous avons également trouvé que la survie adulte ne différait pas entre 2 colonies situés à 800 km de distance dans l'Arctique canadien, ce qui suggère une absence de variabilité spatiale pour ce paramètre démographique. Notre étude a donc démontré la faible variabilité temporelle et spatiale du paramètre démographique le plus important pour le taux de croissance de la population, contrairement aux autres paramètres qui montrent une forte variabilité chez la grande oie des neiges. Notre étude permet donc d'appuyer la théorie de la canalisation environnementale des paramètres démographiques chez les espèces longévives. / In long-lived species, an inverse relationship apparently occurs between variability of demographic parameters and their elasticity (i.e. the relative contribution of a given parameter to the population growth rate). The environmental canalization theory has been proposed to explain such a relationship. Demographic parameters with the highest elasticity should have evolved in a way reducing their variability in presence of environmental variations in order to optimize individual fitness and hence to maximize the population growth rate.To test this hypothesis in a given species, demographic parameters and their elasticity need to be accurately estimated. Using advanced capture-mark-recapture models, we estimated juvenile survival and breeding probabilities in the greater snow goose and we compared their variability to adult survival, the parameter with the highest elasticity.Our study showed that both juvenile survival rate and breeding propensity were highly variable, as expected. The juvenile survival probability varied upon environmental conditions, with a strong impact of parasitism. An anthelmintic drug treatment applied to juveniles revealed a negative effect of intestinal parasites on survival of juvenile females but not males, which could be explained by a sex-differential investment in the immune system in growing individuals. We found that the breeding propensity also varied with environmental conditions but we also found some evidence for costs of reproduction. Breeding propensity in the following year was greatly reduced after a successful reproduction compared to birds that had a failed attempt. However, among birds that bred, those that had a success the year before were more likely to be successful again the following year than those that had failed, which suggests heterogeneity in individual quality. In those studies, we showed that adult survival was constant over time and independent of the breeding status the year before. Finally, we also found that adult survival did not differ between 2 breeding colonies distant of 800 km in the Canadian Arctic, which suggests an absence of spatial variability for this demographic parameter.We thus demonstrated a low temporal and spatial variability in the most important demographic parameter for population growth, which contrasts with the high variability of other parameters in the greater snow goose. Our study supports the environmental canalization theory as applied to demographic parameters in long-lived species.

La problématique de la contamination des sols urbains et agricoles par les éléments traces métalliques (ETM) est un enjeu majeur en termes de santé publique et de protection de l’environnement. Dans le contexte de l’expansion de l’agriculture urbaine et des jardins communautaires souvent localisés sur des sites contaminés, il existe un intérêt fort pour le développement de méthodes de décontamination moins coûteuses que les méthodes de remédiation conventionnelles et qui préservent l’intégrité et la fertilité du sol. La phytoextraction est une technique écologique de remédiation des sols contaminés en ETM qui repose sur l’utilisation de plantes accumulatrices de métaux pour diminuer les concentrations en ETM dans le sol. La crucifère européenne Noccaea caerulescens (tabouret calaminaire), hyperaccumulatrice de zinc (Zn), cadmium (Cd) et nickel (Ni), s’est imposée comme plante phytoextractrice modèle vu ses étonnantes capacités d’accumulation in natura. Cependant, les conditions de culture optimales de N. caerulescens sont largement méconnues.L’optimisation de la phytoextraction du Cd et du Zn avec N. caerulescens a donc constitué l’objectif principal de ce travail. Nous avons mené des essais de terrain à Bruxelles sur des sites dont les sols sont modérément contaminés en ETM. Le premier objectif était de comparer l’efficacité d’extraction des populations calaminaires du Sud de la France (CAL-SF) et des populations non-métallicoles luxembourgeoises (NMET) de N. caerulescens. En parallèle, un deuxième objectif était de tester l’effet de plusieurs pratiques de culture sur la croissance et l’accumulation afin de développer un itinéraire technique performant. Un dernier objectif était d’étudier l’influence des paramètres édaphiques sur l’efficacité de la phytoextraction. Nous avons mis en évidence pour la première fois sur le terrain que les populations NMET sont nettement plus efficaces pour l’extraction du Zn que les populations CAL-SF et qu’elles combinent à la fois une meilleure production de biomasse et une plus grande résistance aux herbivores et aux pathogènes. Ce travail de thèse souligne que le cycle de vie – annuel ou bisannuel – est un déterminant important de la vitesse de croissance, du rendement d’extraction et du cycle de culture à privilégier. Nos résultats montrent que l’itinéraire technique le plus performant est celui d’un repiquage à l’automne de plantules à cycle bisannuel à densité élevée (100-120 plantes m-²), suivi d’une longue saison de culture (12 mois), tandis que pour des plantes annuelles il faut favoriser une installation au printemps. Enfin, la croissance de N. caerulescens est essentiellement stimulée par des hautes teneurs en matière organique, une faible densité apparente, une texture limoneuse et un bon apport en azote. Ce dernier élément entraîne cependant une baisse des concentrations en ETM dans les plantes quand sa teneur augmente dans le sol. La fertilisation azotée ne devrait donc être utilisée qu’en cas de forte carence azotée.Ce travail a permis de démontrer qu’une culture de N. caerulescens pouvait extraire jusqu’à 18 % du Cd total (CAL-SF) et 10 % du Zn total (NMET) dans les 20 premiers cm de sols modérément contaminés (jusqu’à 10 mg Cd kg-1 et 1000 mg Zn kg-1). À condition d’augmenter et de stabiliser les rendements de biomasse aérienne, la phytoextraction du Cd avec N. caerulescens pourrait donc être une technique pour décontaminer des sols modérément contaminés en Cd tels que les sols agricoles ou les sols urbains. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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