Les cycles biogéochimiques des éléments chimiques jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement et l'évolution de tous les écosystèmes. Les éléments essentiels pour la vie sont les macro et micronutriments. Au niveau planétaire, la production primaire est principalement limitée par la biodisponibilité de l'azote et du phosphore. Dans la forêt boréale, l'azote est l'élément le plus souvent reporté comme limitant la production primaire. Paradoxalement, la quantité d'azote dans les sols boréaux est élevée. Cependant, l'azote se rencontre sous des formes très récalcitrantes (l'azote organique présent dans la couche de litière), difficilement accessibles par la biosphère. Les formes d'azote facilement mobilisables ainsi que l'entrée de nouvel azote par fixation biologique sont donc essentielles à la production primaire. La fixation d'azote est effectuée par des bactéries fixatrices symbiotiques et/ou non-symbiotiques, grâce à une métallo-enzyme, la nitrogénase. Étant donné que cette réaction est très coûteuse énergétiquement et que la disponibilité des métaux, tel que le cofacteur métallique (par exemple molybdène) joue un rôle important dans cette réaction, ce processus peut être limité par la biodisponibilité du phosphore et du molybdène. L'effet de l'azote et du phosphore sur la production primaire est bien connu dans la littérature. Cependant, peu d'informations sont encore disponibles sur le rôle de la biodisponibilité des métaux sur le processus de fixation d'azote et en conséquence sur le contrôle de la croissance de la forêt. Mieux comprendre les facteurs contrôlant la fixation d'azote en milieu boréal revêt également une importance capitale afin de mieux évaluer la réponse des écosystèmes au changement climatique. En effet, les effets du changement climatique restent très débattus. Cependant, la majorité de la communauté s'accorde sur le fait que la disponibilité de l'azote pour les plantes jouera un rôle de premier plan dans cette réponse. L'impact du changement climatique sur le couplage carbone/azote peut être très varié et difficile à prédire avec certitude. Dans le cadre des recherches présentées ici, l'objectif de notre travail a été de comprendre le rôle des métaux dans la fixation d'azote en milieu boréal dans un contexte du changement climatique. Il est possible de distinguer deux formes majeures de fixation d'azote; premièrement, la fixation symbiotique d'azote chez les plantes supérieures. La deuxième forme est la fixation non-symbiotique d'azote dans les sols notamment la couche de litière de feuilles où l'activité des bactéries fixatrices non-symbiotiques d'azote est plus active. La fixation non-symbiotique d'azote est particulièrement importante pour apporter l'azote nécessaire en forêt boréale. Cependant, notre connaissance sur l'impact du réchauffement climatique sur la fixation non-symbiotique d'azote reste également limitée. Dans un premier temps, nous avons évalué l'effet de la limitation en azote sur l'homéostasie métallique de l'aulne, principale plante fixatrice d'azote en milieu boréal, dans un contexte de changement climatique simulé par une augmentation de la concentration de CO2. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le relargage des nutriments au cours d'une saison de décomposition de la litière de feuilles dans la forêt tempérée froide. En effet, il a été démontré que la fixation d'azote dans les litières en milieu tempéré est limitée par la disponibilité en phosphore mais également en molybdène. Cette limitation est fortement influencée par le type de couvert végétal et présente une dynamique saisonnière. La qualité des litières ainsi que la dynamique des nutriments durant la décomposition de la litière ont donc été proposées comme mécanismes importants contrôlant l'émergence de la limitation en phosphore et/ou molybdène. Cependant, bien que la libération de l'azote et du phosphore durant la décomposition soit bien documentée, la relation entre la libération des éléments (P et métaux) et la fixation non-symbiotique d'azote a été peu explorée. Les résultats de ce projet nous ont permis de comprendre comment la dynamique des métaux lors de la décomposition des litières peut influencer la fixation non-symbiotique d'azote. La démonstration de l'importance des métaux traces sur le contrôle des processus de fixation d'azote amène inévitablement à s'interroger sur les mécanismes permettant l'acquisition de ces éléments par les organismes fixateurs. Les métaux dans le sol peuvent être des ions solubles, peu solubles et/ou insolubles. La complexation d'ions métalliques solubles avec la matière organique insoluble réduit leur biodisponibilité, tandis que la formation de complexes organiques solubles peut augmenter leur biodisponibilité. Dans cette matrice complexe qu'est le sol, l'acquisition de métaux essentiels tels que le molybdène peut donc être un réel défi. Il a été démontré au cours des dernières années que les organismes fixateurs d'azote non-symbiotiques utilisent des mécanismes très spécifiques pour contrôler l'acquisition du molybdène et soutenir la fixation d'azote. Ainsi Azotobacter vinelandii, produit des métallophores capables d'influencer la spéciation extracellulaire de molybdène afin de mieux contrôler son acquisition. Dans le cas de la fixation symbiotique d'azote de tels mécanismes n'ont pas encore été caractérisés pour l'acquisition du molybdène. Cependant, l'aulne, comme d'autres plantes, est capable de former des symbioses avec des champignons mycorhiziens dont l'importance pour la nutrition en azote et en phosphates des plantes n'est plus à démontrer. Ces champignons sont fortement impliqués dans le recyclage de la matière organique et sont connus pour produire une grande diversité de sidérophores (potentiellement métallophores). Le rôle des champignons mycorhiziens dans la nutrition minérale soutenant la fixation d'azote demeure peu exploré. Le dernier objectif de ce projet de doctorat consistait ainsi à tenter d'identifier et caractériser les sidérophores chez diverses souches de champignons, notamment les champignons mycorhiziens. Les résultats de cette partie nous ont aidés à comprendre l'effet des microorganismes sur la dynamique des métaux via la production de métallophores. L'ensemble des résultats obtenus dans cette thèse nous a permis de mieux comprendre l'importance de la symbiose actinorhizienne dans la réponse de l'aulne au changement climatique. Ils ont également permis de mieux comprendre l'importance de la dynamique des micronutriments durant la décomposition de la litière sur l'émergence de la limitation en phosphore et en molybdène de la fixation non-symbiotique d'azote. Enfin, nous avons exploré la présence de métallophores chez les champignons mycorhiziens.

La fixation biologique d’azote (réduction du N2 atmosphérique, non biodisponible, en ammonium (NH3) bioassimilable) est catalysée par la métalloenzyme nitrogénase. Cette enzyme existe sous trois isoformes chez la bactérie du sol Azotobacter vinelandii: les nitrogénases au molybdène (Mo), au vanadium (V) et au fer (Fe). L’acquisition des métaux cofacteurs constitue un paramètre d’intérêt majeur car Mo et V sont fortement complexés à la matrice (matière organique et oxydes) ce qui peut limiter leur disponibilité. Ces travaux ont montré que la présence d’acide tannique et d’oxydes de fer entraîne des changements majeurs dans la gestion des métaux cofacteurs (Mo et V) chez A. vinelandii. Les stratégies d’acquisition des métaux cofacteurs sont fortement modifiées en présence de ces complexants avec (i) un changement important de la quantité des metallophores produits ainsi que (ii) une acquisition simultanée de Mo et V dans des conditions traditionnellement considérées comme non limitantes en Mo. Ceci se traduit par un changement important dans l’utilisation des nitrogénases; les niveaux de transcrits élevés des gènes nifD et vnfD, spécifiques des nitrogénases au Mo et au V respectivement, suggèrent une utilisation simultanée de ces isoenzymes pour assurer la fixation d’azote. Ce projet a permis de mettre en évidence que face à un stress métallique, l’utilisation des isoformes de la nitrogénase par A. vinelandii est un processus plus versatile que précédemment décrit et que le coût d’acquisition des métaux dans ces conditions constitue un facteur important de la régulation de l’activité des nitrogénases. Ceci suggère que les nitrogénases alternatives pourraient contribuer à la fixation d’azote de manière plus importante que présentement admis.

Les ions métalliques (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo…) jouent un rôle vital dans un grand nombre de processus biologiques. Leur carence et leur excès entraînent des défauts de croissance voire la mort. Pour survivre et croître, certaines bactéries ont développé des stratégies pour acquérir les métaux dans leur environnement basées sur la synthèse de ligands complexant les métaux. Les plantes, elles, stockent les métaux et les transportent entre les tissus sous des formes chimiques particulières et un rôle grandissant pour les petits complexes métalliques semble se révéler. La spéciation des métaux gouvernerait donc leur biodisponibilité pour les consommateurs en ce qui concerne les plantes comestibles. Cette thèse a pour but le développement de méthodes analytiques pour l’identification et la quantification des formes chimiques des métaux chez les bactéries et les plantes.Les techniques de séparation chromatographique, comme la chromatographie d’exclusion stérique (SEC) et la chromatographie d’interaction hydrophile (HILIC), furent couplées à la spectrométrie de masse (MS) avec une ionisation préalable par plasma induit (ICP MS) ou par électrospray pour une détection élémentaire et moléculaire respectivement. La méthodologie analytique développée ici, qui est basée sur l’utilisation de l’HILIC avec détection double par ICP MS et électrospray MS, s’est avérée cruciale pour la découverte et la caractérisation de deux nouveaux métallophores, la staphylopine chez Staphylococcus aureus et la pseudopaline chez Pseudomonas aeruginosa. Ces métallophores sont synthétisés et exportés par les bactéries et servent pour l’acquisition des métaux de transition divalents dans les milieux très pauvres en métaux grâce à leur pouvoir complexant.Des techniques dédiées de préparation d’échantillons, incluant le fractionnement des extraits solubles à l’eau, furent mises en place pour l’analyse du fer dans le maïs. Les approches instrumentales développées, notamment après le fractionnement du fer l’échantillon, permirent l’identification par spectrométrie de masse de complexes du fer avec le citrate, le muginéate et le phytate dans les grains de maïs. Il existe aussi une différence significative dans les concentrations de certaines polyamines entre certaines variétés de graines contenant du fer faiblement biodisponible et celles contenant du fer fortement biodisponible. La plus grande abondance de complexe fer-muginéate dans les extraits gastro-intestinaux des variétés à fer fortement biodisponible semblerait indiqué un rôle important pour ce complexe dans la biodisponibilité du fer. Finalement, des ratios molaires plus faibles entre le phytate extrait et le fer qui lui est associé sembleraient aussi être un des facteurs lié à une plus grande biodisponibilité du fer. / Metal (Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo…) ions play a vital role in a large number of biological processes. Both their deficiency and excess will lead to severe growth impairment or death. In order to survive and to grow, bacteria developed strategies to acquire metals from the environment based on the synthesis of metal complexing ligands. Plants store metals and transport them between tissues in particular chemical forms and a rising role for small metal complexes seems to be revealed. Therefore their speciation governs the bioavailability of the metals to consumers in the case of edible plants. This thesis aims at the development of analytical methods for the identification and quantification of metal chemical forms in bacteria and in plants.Chromatographic separation techniques, such as size exclusion chromatography (SEC) and hydrophilic interaction chromatography (HILIC) were coupled to mass spectrometry (MS) using ionization in an inductively coupled plasma (ICP MS) or electrospray for elemental and molecular detection, respectively. The developed analytical methodology based on HILIC with dual ICP MS and electrospray MS detection turned out to be crucial for the discovery and characterization of two novels metallophores, staphylopine in Staphylococcus aureus and pseudopaline in Pseudomonas aeruginosa. These metallophores are synthesized and exported by the bacteria and serve for the uptake of divalent transition metal in metal scarce conditions by means of chelation. Dedicated samples preparation techniques, including fractionation of water soluble extracts, were developed for iron analyses in maize. The developed instrumental approaches following the iron fractionation methods allowed the identification by mass spectrometry of citrate, mugineate and phytate complexes with iron in maize kernels. There was also a significant difference in some polyamine concentrations observed between some kernels with low and high bioavailable iron. The higher abundance of the iron-mugineate complex in the gastrointestinal extract in high bioavailable maize variety possibly indicates that iron-mugineate would have an important role in iron biodisponibility. Finally, lower molar ratios between extracted phytate and iron associated to it would seem to be also a key aspect for higher iron bioavailability.