Mobility and transfer of rare earth elements from soil to plants by arbuscular mycorrhizal fungi

Rare earth elements (REE) are a group of strategic metals that have been widely used in modern technologies in the recent decades. However, due to the corresponding REE emission from industries and the over-exploitation, large amounts of anthropogenic rare earth can accumulate in the environment, and be phytotoxic. Arbuscular mycorrhizae (AM) benefit to plants in metal-contaminated soils by improving their survival and growth and alleviating metal toxicity, but little information is available about soil contaminated by rare earth elements. The objective of this PhD project is to understand the transfer of REEs from soil to plants and especially the role of AM fungi on plant growth and REE transfer to plants in REE contaminated soils. Experiments were launched using a model legume plant alfalfa (Medicago sativa), a model REE samarium (Sm), and a metal-tolerant Funneliformis mosseae fungus in a growth chamber. We first studied the bioavailability and transfer of an REE to Medicago sativa grown on two contaminated soils differing in their chemical characteristics. The results showed that DTPA extractable Sm was well correlated with Sm uptake in alfalfa shoots. Although the soil to plant transfer factor was low, alfalfa biomass was reduced when the soils were spiked with 100 to 200 mg kg-1 of Sm. Then the hypothesis was drawn that arbuscular mycorrhizal fungi might protect the plant against REE toxicity. Therefore, a pot experiment was launched to study the role of AM fungi on alfalfa growth and a compartment experiment was performed to study the transfer of Sm to alfalfa via AM fungal hyphae. The biomass of alfalfa grown on Sm-spiked soil was significantly higher following arbuscular mycorrhiza inoculation. P content was also higher in mycorrhizal than nonmycorrhizal plants, but there was no significant Sm transfer to the plant by F.mosseae. Since there are often multiple REEs in contaminated soils, including light (LREE) and heavy (HREE) REEs, a compartment experiment was launched using 4 REEs, alfalfa and ryegrass, which confirmed that there was no transfer of the 4 REEs to alfalfa plants by F.mosseae. Finally, an REE mining soil collected from China was used to analyze the toxicity of REEs to AM fungal spores and to leek plants inoculated or not with the AM fungus, using spore germination assays and a plant growth experiment. The high concentration of REEs significantly inhibited plant growth and spore germination rate, and the fungus tolerated relatively high REE concentrations, but there was no significant difference in REE tolerance between two isolates of F.mosseae. Other fungi and plants should be tested, and field experiments performed, but our results suggest that arbuscular mycorrhizal plants might be considered in phytorestoration of REE-contaminated soils.
Les terres rares (REE) sont un groupe de métaux stratégiques qui ont été largement utilisés dans les technologies modernes au cours des dernières décennies. Cependant, en raison des émissions de REE liées à ces industries et à la surexploitation, de grandes quantités de terres rares d’origine anthropiques peuvent s'accumuler dans l'environnement et être phytotoxiques. Les mycorhizes à arbuscules (MA) sont bénéfiques pour les plantes dans les sols contaminés par les métaux en améliorant leur survie et leur croissance et en atténuant la toxicité des métaux, mais peu d'informations sont disponibles sur les sols contaminés par des REE. L'objectif de cette thèse est de comprendre le transfert des REE du sol aux plantes et en particulier le rôle des champignons MA sur la croissance des plantes et le transfert des REE aux plantes dans les sols contaminés par des REE. Des expériences en chambre de culture ont été réalisées en utilisant la luzerne (Medicago sativa) comme plante modèle, le samarium (Sm) comme REE modèle et un champignon mycorhizien Funneliformis mosseae tolérant aux métaux. Nous avons d'abord étudié la biodisponibilité et le transfert du Sm à Medicago sativa cultivée sur deux sols artificiellement contaminés différant par leurs caractéristiques chimiques. Les résultats ont montré que le Sm extractible au DTPA était bien corrélé à l'absorption de Sm dans les pousses de luzerne. Bien que le facteur de transfert sol-plante soit faible, la biomasse de luzerne a été réduite lorsque les sols ont été enrichis de 100 à 200 mg kg-1 de Sm. Nous avons ensuite émis l'hypothèse que les champignons mycorhiziens à arbuscules pourraient protéger la plante contre la toxicité des REE. En conséquence, une expérience en pot a été menée pour étudier le rôle des champignons MA sur la croissance de la luzerne et une expérience en compartiments a été réalisée pour étudier le transfert de Sm à la luzerne via les hyphes fongiques MA. La biomasse de la luzerne cultivée sur un sol enrichi en Sm était significativement plus élevée après l'inoculation par F.mosseae. La teneur en P était également plus élevée dans les plantes mycorhizées que dans les plantes non mycorhizées, mais il n'y avait pas de transfert significatif de Sm vers la plante par F.mosseae. Puisqu'il y a souvent plusieurs REE dans les sols contaminés, y compris des REE légers (LREE) et lourds (HREE), une expérience à compartiments a été réalisée en utilisant 4 REE, la luzerne et le ray-gras, qui a confirmé qu'il n'y avait pas de transfert des 4 REE aux plants de luzerne par F.mosseae. Enfin, un sol minier contaminé par des REE prélevé en Chine a été utilisé pour analyser la toxicité des REE vis à vis des spores de champignons MA et pour des plants de poireaux inoculés ou non avec F.mosseae, en utilisant des tests de germination des spores et une expérience de croissance des plantes. La forte concentration de REE a considérablement inhibé la croissance des plantes et le taux de germination des spores, mais le champignon MA tolérait des concentrations relativement élevées de REE, et il n’y avait pas de différence de tolérance aux REE de deux isolats de F.mosseae. D'autres champignons et plantes devraient être testés et des expériences sur le terrain devraient être effectuées, mais nos résultats suggèrent que des plantes mycorhizées par des champignons à arbuscules pourraient être prises en compte dans la phytorestauration de sols contaminés par les REE.