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Phytomanagement is a handling method of contaminated sites based on the ability of plants to sequester pollutants. Fungi could favor plant growth in contaminated sites but were far less studied in the context of phytomanagement. Dark septate endophytes (DSE) were reported to improve plant tolerance against metallic trace elements (TE). The present work is part of the LORVER project and aims to understand the “plant-DSE-TE”. DSE were isolated from poplar roots growing on TE-contaminated soils and characterized. They belong to Leptodontidium, Phialophora, Cadophora and Phialocephala genera. Three strains were inoculated to birch and poplar in TE-contaminated soils. Leptodontidium sp. improved plant growth with an increase in chlorophyll, P and K concentrations, whereas Cadophora sp. decreased Cd concentration in shoots of birch. Then, Cadophora sp. Fe06, was used with an endomycorrhizal fungus, to co-inoculate ryegrass in a TE-polluted soil. The co-inoculation leads to the decrease of Cd concentration in shoots. Finally, the mechanisms involved in TE-tolerance by DSE were studied through the screening of a library of Leptondontidium sp. insertional random-mutants and an evaluation of the role of melanin against TE stress. The present work highlights the complexity of the interactions between DSE and plants under TE stress. These interactions were influenced by different parameters including plant species, DSE strains, and soil properties. Nevertheless, the ability of DSE to colonize a broad spectrum of plants in different soils and to promote plant growth, suggest that DSE could represent a substantial benefit for the fungus-assisted phytomanagement of polluted soils; Le phytomanagement est une méthode de gestion de sites pollués basée sur la capacité des plantes à séquestrer les polluants. L’utilisation de symbiotes fongiques peut représenter un atout afin d’augmenter la production de biomasse. Les endophytes bruns septés (DSE) pourraient stimuler la croissance végétale et augmenter leur protection contre les éléments-traces-métalliques (ETM). Cette thèse se déroule dans le cadre du projet LORVER et vise à comprendre l’interaction « plantes-DSE-sols pollués ». A ces fins, des champignons DSE isolés de racines de peupliers issues de sols pollués par des ETM ont été caractérisés. Ils appartiennent aux genres Leptodontidium, Phialophora, Cadophora et Phialocephala. Trois de ces souches ont ensuite été inoculées à des plantes en présence d’ETM. Dans certains cas, la croissance végétale a été stimulée et une augmentation de la teneur en chlorophylles, en P et en K, ou une réduction de la teneur en Cd dans les parties aériennes ont été mises en évidence. Puis, la souche la plus efficace sur la croissance végétale, Cadophora sp. Fe06, a été utilisée dans un double inoculum avec une souche endomycorhizienne, chez du ray-grass en présence d’ETM. Cette association diminue la teneur en Cd dans les feuilles. Enfin, les mécanismes impliqués dans la tolérance aux ETM chez les DSE ont été examinés via le criblage d’une banque de mutants d’insertions aléatoires, et via l’étude du rôle de la mélanine. Ce travail met en évidence que l’utilisation de DSE, de part leur capacité à coloniser de nombreuses plantes dans différents sols et à stimuler leur croissance, pourrait représenter un atout considérable pour des opérations de phytomanagement

Phytomanagement is a handling method of contaminated sites based on the ability of plants to sequester pollutants. Fungi could favor plant growth in contaminated sites but were far less studied in the context of phytomanagement. Dark septate endophytes (DSE) were reported to improve plant tolerance against metallic trace elements (TE). The present work is part of the LORVER project and aims to understand the “plant-DSE-TE”. DSE were isolated from poplar roots growing on TE-contaminated soils and characterized. They belong to Leptodontidium, Phialophora, Cadophora and Phialocephala genera. Three strains were inoculated to birch and poplar in TE-contaminated soils. Leptodontidium sp. improved plant growth with an increase in chlorophyll, P and K concentrations, whereas Cadophora sp. decreased Cd concentration in shoots of birch. Then, Cadophora sp. Fe06, was used with an endomycorrhizal fungus, to co-inoculate ryegrass in a TE-polluted soil. The co-inoculation leads to the decrease of Cd concentration in shoots. Finally, the mechanisms involved in TE-tolerance by DSE were studied through the screening of a library of Leptondontidium sp. insertional random-mutants and an evaluation of the role of melanin against TE stress. The present work highlights the complexity of the interactions between DSE and plants under TE stress. These interactions were influenced by different parameters including plant species, DSE strains, and soil properties. Nevertheless, the ability of DSE to colonize a broad spectrum of plants in different soils and to promote plant growth, suggest that DSE could represent a substantial benefit for the fungus-assisted phytomanagement of polluted soils; Le phytomanagement est une méthode de gestion de sites pollués basée sur la capacité des plantes à séquestrer les polluants. L’utilisation de symbiotes fongiques peut représenter un atout afin d’augmenter la production de biomasse. Les endophytes bruns septés (DSE) pourraient stimuler la croissance végétale et augmenter leur protection contre les éléments-traces-métalliques (ETM). Cette thèse se déroule dans le cadre du projet LORVER et vise à comprendre l’interaction « plantes-DSE-sols pollués ». A ces fins, des champignons DSE isolés de racines de peupliers issues de sols pollués par des ETM ont été caractérisés. Ils appartiennent aux genres Leptodontidium, Phialophora, Cadophora et Phialocephala. Trois de ces souches ont ensuite été inoculées à des plantes en présence d’ETM. Dans certains cas, la croissance végétale a été stimulée et une augmentation de la teneur en chlorophylles, en P et en K, ou une réduction de la teneur en Cd dans les parties aériennes ont été mises en évidence. Puis, la souche la plus efficace sur la croissance végétale, Cadophora sp. Fe06, a été utilisée dans un double inoculum avec une souche endomycorhizienne, chez du ray-grass en présence d’ETM. Cette association diminue la teneur en Cd dans les feuilles. Enfin, les mécanismes impliqués dans la tolérance aux ETM chez les DSE ont été examinés via le criblage d’une banque de mutants d’insertions aléatoires, et via l’étude du rôle de la mélanine. Ce travail met en évidence que l’utilisation de DSE, de part leur capacité à coloniser de nombreuses plantes dans différents sols et à stimuler leur croissance, pourrait représenter un atout considérable pour des opérations de phytomanagement

Phytomanagement is a handling method of contaminated sites based on the ability of plants to sequester pollutants. Fungi could favor plant growth in contaminated sites but were far less studied in the context of phytomanagement. Dark septate endophytes (DSE) were reported to improve plant tolerance against metallic trace elements (TE). The present work is part of the LORVER project and aims to understand the “plant-DSE-TE”. DSE were isolated from poplar roots growing on TE-contaminated soils and characterized. They belong to Leptodontidium, Phialophora, Cadophora and Phialocephala genera. Three strains were inoculated to birch and poplar in TE-contaminated soils. Leptodontidium sp. improved plant growth with an increase in chlorophyll, P and K concentrations, whereas Cadophora sp. decreased Cd concentration in shoots of birch. Then, Cadophora sp. Fe06, was used with an endomycorrhizal fungus, to co-inoculate ryegrass in a TE-polluted soil. The co-inoculation leads to the decrease of Cd concentration in shoots. Finally, the mechanisms involved in TE-tolerance by DSE were studied through the screening of a library of Leptondontidium sp. insertional random-mutants and an evaluation of the role of melanin against TE stress. The present work highlights the complexity of the interactions between DSE and plants under TE stress. These interactions were influenced by different parameters including plant species, DSE strains, and soil properties. Nevertheless, the ability of DSE to colonize a broad spectrum of plants in different soils and to promote plant growth, suggest that DSE could represent a substantial benefit for the fungus-assisted phytomanagement of polluted soils, Le phytomanagement est une méthode de gestion de sites pollués basée sur la capacité des plantes à séquestrer les polluants. L’utilisation de symbiotes fongiques peut représenter un atout afin d’augmenter la production de biomasse. Les endophytes bruns septés (DSE) pourraient stimuler la croissance végétale et augmenter leur protection contre les éléments-traces-métalliques (ETM). Cette thèse se déroule dans le cadre du projet LORVER et vise à comprendre l’interaction « plantes-DSE-sols pollués ». A ces fins, des champignons DSE isolés de racines de peupliers issues de sols pollués par des ETM ont été caractérisés. Ils appartiennent aux genres Leptodontidium, Phialophora, Cadophora et Phialocephala. Trois de ces souches ont ensuite été inoculées à des plantes en présence d’ETM. Dans certains cas, la croissance végétale a été stimulée et une augmentation de la teneur en chlorophylles, en P et en K, ou une réduction de la teneur en Cd dans les parties aériennes ont été mises en évidence. Puis, la souche la plus efficace sur la croissance végétale, Cadophora sp. Fe06, a été utilisée dans un double inoculum avec une souche endomycorhizienne, chez du ray-grass en présence d’ETM. Cette association diminue la teneur en Cd dans les feuilles. Enfin, les mécanismes impliqués dans la tolérance aux ETM chez les DSE ont été examinés via le criblage d’une banque de mutants d’insertions aléatoires, et via l’étude du rôle de la mélanine. Ce travail met en évidence que l’utilisation de DSE, de part leur capacité à coloniser de nombreuses plantes dans différents sols et à stimuler leur croissance, pourrait représenter un atout considérable pour des opérations de phytomanagement

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2015-06-03; Phytostabilization is a gentle management option for sites polluted by trace elements (TE). Mycorrhizal fungi could assist plants in stabilizing pollutants by increasing the soil-prospected volume and by immobilizing MTE in their hyphae. Within the BIOFILTREE project, several approaches were used to select fungal strains that could be used for enhancing the phytostabilization process. Firstly, the mycorrhizal status of roots of three poplar clones from a TE-polluted site and the fungi associated with the roots were analyzed. The roots were colonized by endomycorrhizal, ectomycorrhizal, and endophytic fungi. Our data also revealed some specific trends, i.e. Hebeloma species was not associated with all poplar genotypes. Secondly, several fungal strains were isolated from polluted sites and their in vitro tolerance to TE was tested. There was a strong inter- and intra-specific variation in metal tolerance. In a greenhouse study, two poplar clones were inoculated with an endomycorrhizal inoculum and grown on a TE-polluted soil. A slight modification in TE accumulation in shoots was observed. In parallel, the role of ZIP (Zrt-Irt- like Proteins) and CDF (Cation Diffusion Facilitator) proteins in TE homeostasis/tolerance was also studied in the ectomycorrhizal model fungus Laccaria bicolor. The corresponding proteins were functionally characterized by the use of different approaches (yeast complementation, GFP-chimeric proteins, transcript analyses, cell metal content analyses). This study allowed us to better understand the mechanisms underlying zinc uptake and compartmentation in the hyphae of this fungus; La phytostabilisation est une méthode de gestion de sites pollués par des éléments traces métalliques (ETM) grâce à une approche verte. Les champignons mycorhiziens, associés aux racines, peuvent contribuer au potentiel de phytostabilisation des arbres en réduisant notamment le transfert des ETM vers les parties aériennes. Dans le cadre du projet BIOFILTREE, plusieurs approches sont mises en oeuvre afin de sélectionner des espèces fongiques performantes en phytostabilisation. Tout d'abord, afin de cibler des espèces d'intérêt, les communautés fongiques associées aux racines de divers clones de peupliers sur un site pollué sont analysées. Tous les peupliers sont colonisés par des champignons ecto-, endomycorhiziens et endophytes. Cependant, des spécificités d'hôtes sont observées parmi ces communautés, avec notamment un champignon majoritaire du genre Hebeloma qui ne s'associe pas avec tous les génotypes. Ensuite, plusieurs campagnes de prélèvements de champignons sur divers sites pollués ont permis d'isoler des souches particulièrement tolérantes aux ETM. De très fortes variations intra- et interspécifiques sont observées lors de ces tests. En parallèle, des approches ciblées de caractérisation fonctionnelle de gènes impliqués dans l'homéostasie au zinc sont mises en oeuvre chez Laccaria bicolor, un champignon ectomycorhizien modèle. L'homéostasie aux ETM est liée entre autres à l'activité des transporteurs des familles ZIP (Zrt-, Irt- related Protein) et CDF (Cation Diffusion Facilitator). L'étude des membres de ces deux familles a permis d'affiner la compréhension des mécanismes d'absorption et de séquestration des ETM dans les hyphes des champignons ectomycorhiziens

Numerous studies in phytoremediation have tried to increase the uptake of metals by plants for soil cleanup. This work is about a new phytoremediation approach named Filtering Gardens using common wetland plants (Phragmites australis, Iris pseudacorus and Salix viminalis) in the vegetated cells irrigated so as to impose periodic flooding-drying conditions for enhancing the solubility of metals in the soil and their removal through leaching. In a pilot-scale sixteen-month experiment, this approach was applied for phytoremediation of Zn, Cu and Pb from an agricultural soil highly contaminated by sewage disposal. Metal mass balances for soil-plant systems showed that only a non-significant amount of metals was accumulated in plant tissues. An important amount of metals was removed from the soil via phytoleaching resulting from the interaction of plant roots with irrigation. An additional chemical treatment with citrate can enhance metal leaching. Mechanisms of Zn and Cu transformations involved in this phytoremediation were highlighted by combining synchrotron-based X-ray analytical tools at micro- (µXRF, µXRD, µEXAFS) and macro-scale (EXAFS) coupled with chemical analyses, allowing to determine the nature and amount of metal forms in the soil. In the initial soil, zinc was occurred mainly as secondary minerals (Zn-ferrihydrite, Zn-phosphate and Zn-kerolite-like-phyllosilicate) and copper was essentially bound to organic matter. The activity of plant roots under flooding-drying conditions clearly modified the original speciation of metals. In the phytoremediated soil, Zn-ferrihydrite, one of the initially major forms of Zn, was entirely dissolved. The reductive dissolution of this iron oxyhydroxide favored by flooding conditions was the major process inducing Zn leaching. One part of solubilized Zn coprecipitated with Fe into another less soluble iron oxyhydroxide, Zn-substituted goethite, under oxidizing conditions and with assistance by plant roots likely in defense against toxic dissolved metals, as evidenced by the formation of goethite plaques on and near roots. Moreover, the newly occurred particles of metallic Zn and ZnO were discovered in the rhizosphere, in small amount. The oxidation of organic matter likely enhanced by root oxygen release caused an excess of toxic cationic Cu. In response to oxidative stress, this Cu was biotransformed into metallic Cu nanoparticles, in important amount, by plant roots with evidence of assistance by endomycorrhizal fungi. This newly identified mode of metal biomineralization by plant roots may be typical of common wetland plants. This new way of making phytoremedation involves mainly phytoleaching inducing the solubilization of metals in the soil and their leaching and phytotransformation, due in part to phytodetoxication, driving the conversion of toxic metals into weakly soluble forms., De nombreuses études en phytoremédiation visent à accroître le prélèvement des métaux par les plantes pour dépolluer les sols. Ce travail porte sur une nouvelle approche de phytoremédiation appelée Jardins Filtrants qui consiste à traiter le sol dans des casiers végétalisés par des plantes de milieux humides (Phragmites australis, Iris pseudacorus et Salix viminalis) et irrigués de manière à imposer une alternance des conditions hydromorphie-assèchement afin d'accroître la solubilité de métaux dans le sol et de les extraire par lixiviation. Dans une expérience pilote de seize mois, cette approche a été appliquée pour la phytoremédiation de Zn, Cu et Pb d'un sol agricole fortement pollué par l'épandage d'eaux usées. Le bilan de masse des métaux dans les systèmes sol-plante a montré que seule une quantité non-significative des métaux a été accumulée dans la biomasse des plantes. Une quantité importante des métaux a été éliminée du sol via la phytolixiviation résultant de l'interaction de l'activité racinaire avec l'irrigation. Un traitement chimique complémentaire au citrate permet d'augmenter la lixiviation. Les mécanismes de transformations de Zn et Cu impliqués dans cette phytoremédiation ont été mis en évidence par combinaison des techniques analytiques sur la source synchrotron à micro- (µXRF, µXRD, µEXAFS) et macro-échelle (EXAFS) couplée aux analyses chimiques, permettant d'identifier et quantifier les formes des métaux dans le sol. Dans le sol initial, le zinc a été majoritairement sous formes de minéraux secondaires (Zn-ferrihydrite, Zn-phosphate et Zn-phyllosilicate modélisé par Zn-kérolite) et le cuivre a été associé essentiellement à la matière organique. L'activité racinaire dans les conditions hydromorphie-assèchement a profondément modifié la spéciation des métaux. Zn-ferrihydrite, une des formes majoritaires de Zn, a été complètement dissoute. La dissolution réductive de cet oxyhydroxyde de fer, favorisée par les conditions d'hydromorphie, a induit la lixiviation de Zn. Une partie de Zn solubilisé a coprécipité avec Fe en un autre oxyhydroxyde de fer zincifère moins soluble, Zn-goethite substituée, dans les conditions oxydantes et avec assistance des racines formant des plaques de goethite en défense contre l'excès de métaux dissous. De plus, les nouvelles particules de Zn métallique et ZnO ont été découvertes dans la rhizosphère, en faible quantité. L'oxydation de la matière organique a induit l'excès de Cu cationique toxique. En réponse au stress oxydant, ce cuivre a été biotransformé par les racines en association avec des mycorhizes en nanoparticules de Cu métallique, en quantité importante. Ce nouveau mode de biominéralisation peut être typique des plantes de milieux humides. Cette nouvelle voie de phytoremédiation implique principalement la phytolixiviation induisant la solubilisation des métaux et leur lixiviation et la phytotransformation, due pour une part à la phytodétoxication, conduisant la conversion des métaux toxiques en formes peu solubles.

Non disponible / Not available, La plante hyperaccumulatrice de Zn et de Cd, Thlaspi caerulescens, est l'un des candidats les plus prometteurs en vue d'une application à grande échelle de la phytoextraction. Ce travail a été entrepris afin de mieux comprendre les interactions entre la fourniture des métaux par la phase solide du sol, ou biodisponibilité, et l'hyperaccumulation du Cd par T. caerulescens dans le cadre de scénarios de phytoextraction. Des populations contrastées de T. caerulescens ont été étudiées dans leur milieu naturel (friches industrielles de mines de Zn/Pb et de fonderie de Zn ; site de serpentine à concentration élevée du Ni géochimique). Les relations existant entre les paramètres du sol, et en particulier la biodisponibilité des métaux, et l'hyperaccumulation chez ces plantes ont été analysées. Quatre populations ont été sélectionnées pour leur aptitude différente à accumuler les métaux. Cent individus de chaque population ont été cultivés en vases de végétation afin de mettre en évidence des différences génétiques entre les populations. Des individus des mêmes populations ont également été cultivés en conditions climatiques réelles. L'impact de T. caerulescens sur le compartiment biodisponible des métaux a été étudié à l'aide de cultures successives d'une même population dans des systèmes Iysimétriques équipés pour suivre l'évolution des compartiments eau- sol-plantes des métaux. Nos résultats montrent que la concentration du Cd biodisponible est le principal facteur gouvernant l'absorption du métal. Ainsi, il est possible de prédire la concentration du Cd dans les feuilles de T. caerulescens à partir de paramètres du sol facilement et rapidement mesurables (Cd extractible au CaCI2, pH et CEC). Nous avons également mis en évidence des différences génétiques. Les populations hyperaccumulatrices de Cd et de Zn se distingueraient alors de celles hyperaccumulatrices de Ni par la présence d'un transporteur efficace du Cd dans la membrane plasmique racinaire des plantes. Parmi les populations hyperaccumulatrices de Cd, certaines présenteraient une absorption et une translocation du Cd plus efficace et indépendante de l'absorption du Zn, suggérant des mécanismes distincts. Il a également été montré qu'une faible fraction du Cd prélevé par T. caerulescens proviendrait du compartiment du Cd du sol non labile. Au cours de la phytoextraction, les plantes agissent en premier lieu sur le compartiment soluble des métaux du sol, celui-ci étant réapprovisionné par le compartiment biodisponible. En fonction de la capacité tampon des terres, le compartiment biodisponible du Cd pourra être plus ou moins réapprovisionné par ceux moins échangeables. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible de prédire le rendement d'extraction du Cd à partir d'un modèle simplifié prenant en compte la biodisponibilité du Cd, la CEC, le pH et la production de biomasse par T. caerulescens.