Use of the frc gene as a molecular marker to characterize oxalate-oxidizing bacterial abundance and diversity structure in soil.

Oxalate catabolism, which can have both medical and environmental implications, is performed by phylogenetically diverse bacteria. The formyl-CoA-transferase gene was chosen as a molecular marker of the oxalotrophic function. Degenerated primers were deduced from an alignment of frc gene sequences available in databases. The specificity of primers was tested on a variety of frc-containing and frc-lacking bacteria. The frc-primers were then used to develop PCR-DGGE and real-time SybrGreen PCR assays in soils containing various amounts of oxalate. Some PCR products from pure cultures and from soil samples were cloned and sequenced. Data were used to generate a phylogenetic tree showing that environmental PCR products belonged to the target physiological group. The extent of diversity visualised on DGGE pattern was higher for soil samples containing carbonate resulting from oxalate catabolism. Moreover, the amount of frc gene copies in the investigated soils was detected in the range of 1.64x10(7) to 1.75x10(8)/g of dry soil under oxalogenic tree (representing 0.5 to 1.2% of total 16S rRNA gene copies), whereas the number of frc gene copies in the reference soil was 6.4x10(6) (or 0.2% of 16S rRNA gene copies). This indicates that oxalotrophic bacteria are numerous and widespread in soils and that a relationship exists between the presence of the oxalogenic trees Milicia excelsa and Afzelia africana and the relative abundance of oxalotrophic guilds in the total bacterial communities. This is obviously related to the accomplishment of the oxalate-carbonate pathway, which explains the alkalinization and calcium carbonate accumulation occurring below these trees in an otherwise acidic soil. The molecular tools developed in this study will allow in-depth understanding of the functional implication of these bacteria on carbonate accumulation as a way of atmospheric CO(2) sequestration.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.

Combining probabilistic land-use change and tree population dynamics modelling to simulate responses in mountain forests

Altitudinal tree lines are mainly constrained by temperature, but can also be influenced by factors such as human activity, particularly in the European Alps, where centuries of agricultural use have affected the tree-line. Over the last decades this trend has been reversed due to changing agricultural practices and land-abandonment. We aimed to combine a statistical land-abandonment model with a forest dynamics model, to take into account the combined effects of climate and human land-use on the Alpine tree-line in Switzerland. Land-abandonment probability was expressed by a logistic regression function of degree-day sum, distance from forest edge, soil stoniness, slope, proportion of employees in the secondary and tertiary sectors, proportion of commuters and proportion of full-time farms. This was implemented in the TreeMig spatio-temporal forest model. Distance from forest edge and degree-day sum vary through feed-back from the dynamics part of TreeMig and climate change scenarios, while the other variables remain constant for each grid cell over time. The new model, TreeMig-LAb, was tested on theoretical landscapes, where the variables in the land-abandonment model were varied one by one. This confirmed the strong influence of distance from forest and slope on the abandonment probability. Degree-day sum has a more complex role, with opposite influences on land-abandonment and forest growth. TreeMig-LAb was also applied to a case study area in the Upper Engadine (Swiss Alps), along with a model where abandonment probability was a constant. Two scenarios were used: natural succession only (100% probability) and a probability of abandonment based on past transition proportions in that area (2.1% per decade). The former showed new forest growing in all but the highest-altitude locations. The latter was more realistic as to numbers of newly forested cells, but their location was random and the resulting landscape heterogeneous. Using the logistic regression model gave results consistent with observed patterns of land-abandonment: existing forests expanded and gaps closed, leading to an increasingly homogeneous landscape.

Use of fluorescent proteins to monitor the regulation of antifungal activity in root-associated Pseudomonas fluorescens CHA0

SUMMARY Roots of crop plants are the target of soil-borne pathogens, mainly fungi that cause considerable damage to plant health. By antagonizing these pathogens, some root-colonizing pseudomonads provide plants with efficient biological protection from disease. Pseudomonas fluorescens CHAO is a soil bacterium with the ability to suppress a considerable range of root diseases. A major characteristic conferring biocontrol capacity to this strain is the production of antifungal compounds, in particular 2,4-diacetyphloroglucinol (DAPG) and pyoluteorin (PLT). The regulation of the biosyntheses of these metabolites is complex and involves several regulatory systems responding to multiple environmental signals. In the present work, we have developed reporter systems based on green (GFP) and red fluorescent (DsRed) proteins to monitor regulation of antifungal gene expression in vitro and on plant roots. Stable and unstable GFP-based reporter fusions to the DAPG and PLT biosynthetic genes allowed us to demonstrate that P. fluorescens CHAO keeps the two antifungal compounds at a fine-tuned balance that can be affected by environmental signals. A GFP-based screening technique helped us to identify two novel regulators of balanced antibiotic production, i.e. MvaT and MvaV that are functionally and structurally related to the nucleoid-binding protein H-NS. They act in concert as global regulators of DAPG and PLT production and other biocontrol-related traits in P. fluorescens CHAO, and are essential for the bacterium's capacity to control a root disease caused by Pythium. The combined use of autofluorescent reporters, flow cytometry, and epifluorescence microscopy permitted us to visualize and quantify the expression of DAPG and PLT biosynthetic genes on roots. A GFP- and DsRed-based two-color approach was then developed to further improve the sensitivity of the flow cytometric quantitation method. The findings of this study shed more light on the complex regulatory mechanisms controlling antifungal activity of P. filuorescens in the rhizosphere. RESUME 4 e Les racines de plantes de culture sont la cible de divers pathogènes, principalement des champignons, qui nuisent gravement à la santé des plantes. Certains pseudomonades colonisant les racines peuvent avoir un effet antagoniste sur les pathogènes et protéger ainsi les plantes de manière efficace. Pseudomonas fluorescens CHAO est une bactérie du sol ayant la capacité de supprimer une gamme considérable de maladies racinaires. Une des caractéristiques principales conférant la capacité de biocontrôle à cette souche, est la production de composés antifongiques, en particulier le 2,4-diacétyphloroglucinol (DAPG) et la pyolutéorine (PLT). La régulation de la biosynthèse de ces métabolites est complexe et implique plusieurs systèmes régulateurs répondant à de multiples signaux environnementaux. Dans ce travail, nous avons développé des systèmes rapporteurs basés sur des protéines fluorescentes verte (GFP) et rouge (DsRed), afin d'étudier la régulation de l'expression des gènes d'antifongiques in vitro et sur les racines des plantes. Des fusions GFP stables et instables rapportrices de l'expression des gènes de biosynthèse du DAPG et de la PLT nous ont permis de démontrer que P. fluorescens CHAO gère les deux antifongiques dans une balance finement régulée pouvant être affectée par des signaux environnementaux. Une technique de criblage basée sur la GFP nous a permis d'identifier deux nouveaux régulateurs de la production d'antibiotiques, MvaT et MvaV, apparentés à la protéine H-NS liant l'ADN, Elles agissent de concert en tant que régulateurs globaux sur la production de DAPG et de PLT, ainsi que sur d'autres éléments relatifs au biocontrôle chez P. fluorescens CHAO. De plus, elles sont essentielles à la bactérie pour contrôler une maladie racinaire causée par Pythium. L'utilisation combinée de rapporteurs autofluorescents, de cytométrie de flux et de microscopie à épifluorescence nous a permis de visualiser et de quantifier l'expression des gènes de biosynthèse du DAPG et de la PLT sur les racines. Une approche utilisant simultanément la GFP et la DsRed a ensuite été développée afin d'améliorer la sensibilité de la méthode de quantification par cytométrie de flux. Les résultats de cette étude ont apporté plus de lumière sur les mécanismes régulateurs complexes contrôlant l'activité antifongique de P. fluorescens dans la rizosphère.

Use of an isothermal microcalorimetry assay to characterize microbial oxalotrophic activity

Isothermal microcalorimetry (IMC) has been used in the past to monitor metabolic activities in living systems. A few studies have used it on ecological research. In this study, IMC was used to monitor oxalotrophic activity, a widespread bacterial metabolism found in the environment, and particularly in soils. Six model strains were inoculated in solid angle media with K-oxalate as the sole carbon source. Cupriavidus oxalaticus, Cupriavidus necator, and Streptomyces violaceoruber presented the highest activity (91, 40, and 55 μW, respectively) and a maximum growth rate (μmax h(-1) ) of 0.264, 0.185, and 0.199, respectively, among the strains tested. These three strains were selected to test the incidence of different oxalate sources (Ca, Cu, and Fe-oxalate salts) in the metabolic activity. The highest activity was obtained in Ca-oxalate for C. oxalaticus. Similar experiments were carried out with a model soil to test whether this approach can be used to measure oxalotrophic activity in field samples. Although measuring oxalotrophic activity in a soil was challenging, there was a clear effect of the amendment with oxalate on the metabolic activity measured in soil. The correlation between heat flow and growth suggests that IMC analysis is a powerful method to monitor bacterial oxalotrophic activity

Ecology and evolution of soil nematode chemotaxis.

Plants influence the behavior of and modify community composition of soil-dwelling organisms through the exudation of organic molecules. Given the chemical complexity of the soil matrix, soil-dwelling organisms have evolved the ability to detect and respond to these cues for successful foraging. A key question is how specific these responses are and how they may evolve. Here, we review and discuss the ecology and evolution of chemotaxis of soil nematodes. Soil nematodes are a group of diverse functional and taxonomic types, which may reveal a variety of responses. We predicted that nematodes of different feeding guilds use host-specific cues for chemotaxis. However, the examination of a comprehensive nematode phylogeny revealed that distantly related nematodes, and nematodes from different feeding guilds, can exploit the same signals for positive orientation. Carbon dioxide (CO(2)), which is ubiquitous in soil and indicates biological activity, is widely used as such a cue. The use of the same signals by a variety of species and species groups suggests that parts of the chemo-sensory machinery have remained highly conserved during the radiation of nematodes. However, besides CO(2), many other chemical compounds, belonging to different chemical classes, have been shown to induce chemotaxis in nematodes. Plants surrounded by a complex nematode community, including beneficial entomopathogenic nematodes, plant-parasitic nematodes, as well as microbial feeders, are thus under diffuse selection for producing specific molecules in the rhizosphere that maximize their fitness. However, it is largely unknown how selection may operate and how belowground signaling may evolve. Given the paucity of data for certain groups of nematodes, future work is needed to better understand the evolutionary mechanisms of communication between plant roots and soil biota.

Use of green fluorescent protein-based reporters to monitor balanced production of antifungal compounds in the biocontrol agent Pseudomonas fluorescens CHA0.

AIMS: To develop reporter constructs based on stable and unstable variants of the green fluorescent protein (GFP) for monitoring balanced production of antifungal compounds that are crucial for the capacity of the root-colonizing Pseudomonas fluorescens strain CHA0 to control plant diseases caused by soil-borne pathogenic fungi. METHODS AND RESULTS: Pseudomonas fluorescens CHA0 produces the three antifungal metabolites 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT) and pyrrolnitrin (PRN). The gfp[mut3] and gfp[AAV] reporter genes were fused to the promoter regions of the DAPG, PLT and PRN biosynthetic genes. The reporter fusions were then used to follow the kinetics of expression of the three antifungal metabolites in a microplate assay. DAPG and PLT were found to display an inverse relationship in which each metabolite activates its own biosynthesis while repressing the synthesis of the other metabolite. PRN appears not to be involved in this balance. However, the microbial and plant phenolic metabolite salicylate was found to interfere with the expression of both DAPG and PLT. CONCLUSIONS: The results obtained provide evidence that P. fluorescens CHA0 may keep the antifungal compounds DAPG and PLT at a fine-tuned balance that can be affected by certain microbial and plant phenolics. SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY: To our knowledge, the present study is the first to use stable and unstable GFP variants to study antibiotic gene expression in a biocontrol pseudomonad. The developed reporter fusions will be a highly valuable tool to study in situ expression of this bacterial biocontrol trait on plant roots, i.e. at the site of pathogen suppression.

On the use of spatially discrete data to compute energy and mass balance

In many practical applications the state of field soils is monitored by recording the evolution of temperature and soil moisture at discrete depths. We theoretically investigate the systematic errors that arise when mass and energy balances are computed directly from these measurements. We show that, even with no measurement or model errors, large residuals might result when finite difference approximations are used to compute fluxes and storage term. To calculate the limits set by the use of spatially discrete measurements on the accuracy of balance closure, we derive an analytical solution to estimate the residual on the basis of the two key parameters: the penetration depth and the distance between the measurements. When the thickness of the control layer for which the balance is computed is comparable to the penetration depth of the forcing (which depends on the thermal diffusivity and on the forcing period) large residuals arise. The residual is also very sensitive to the distance between the measurements, which requires accurately controlling the position of the sensors in field experiments. We also demonstrate that, for the same experimental setup, mass residuals are sensitively larger than the energy residuals due to the nonlinearity of the moisture transport equation. Our analysis suggests that a careful assessment of the systematic mass error introduced by the use of spatially discrete data is required before using fluxes and residuals computed directly from field measurements.

Plant functional and phylogenetic turnover correlate with climate and land use in the Western Swiss Alps

Understanding the relative importance of historical and environmental processes in the structure and composition of communities is one of the longest quests in ecological research. Increasingly, researchers are relying on the functional and phylogenetic β-diversity of natural communities to provide concise explanations on the mechanistic basis of community assembly and the drivers of trait variation among species. The present study investigated how plant functional and phylogenetic β-diversity change along key environmental and spatial gradients in the Western Swiss Alps. Methods Using the quadratic diversity measure based on six functional traits: specific leaf area (SLA), leaf dry matter content (LDMC), plant height (H), leaf carbon content (C), leaf nitrogen content (N), and leaf carbon to nitrogen content (C/N) alongside a species-resolved phylogenetic tree, we relate variations in climate, spatial geographic, land use and soil gradients to plant functional and phylogenetic turnover in mountain communities of the Western Swiss Alps. Important findings Our study highlights two main points. First, climate and land use factors play an important role in mountain plant community turnover. Second, the overlap between plant functional and phylogenetic turnover along these gradients correlates with the low phylogenetic signal in traits, suggesting that in mountain landscapes, trait lability is likely an important factor in driving plant community assembly. Overall, we demonstrate the importance of climate and land use factors in plant functional and phylogenetic community turnover, and provide valuable complementary insights into understanding patterns of β-diversity along several ecological gradients.

Heated Optical Fiber for Distributed Soil-Moisture Measurements: A Lysimeter Experiment

An Actively Heated Fiber Optics (AHFO) method to estimate soil moisture is tested and the analysis technique improved on. The measurements were performed in a lysimeter uniformly packed with loam soil with variable water content profiles. In the first meter of the soil profi le, 30 m of fiber optic cable were installed in a 12 loops coil. The metal sheath armoring the fiber cable was used as an electrical resistance heater to generate a heat pulse, and the soil response was monitored with a Distributed Temperature Sensing (DTS) system. We study the cooling following three continuous heat pulses of 120 s at 36 W m(-1) by means of long-time approximation of radial heat conduction. The soil volumetric water contents were then inferred from the estimated thermal conductivities through a specifically calibrated model relating thermal conductivity and volumetric water content. To use the pre-asymptotic data we employed a time correction that allowed the volumetric water content to be estimated with a precision of 0.01-0.035 (m(3) m(-3)). A comparison of the AHFO measurements with soil-moisture measurements obtained with calibrated capacitance-based probes gave good agreement for wetter soils [discrepancy between the two methods was less than 0.04 (m(3) m(-3))]. In the shallow drier soils, the AHFO method underestimated the volumetric water content due to the longertime required for the temperature increment to become asymptotic in less thermally conductive media [discrepancy between the two methods was larger than 0.1 (m(3) m(-3))]. The present work suggests that future applications of the AHFO method should include longer heat pulses, that longer heating and cooling events are analyzed, and, temperature increments ideally be measured with higher frequency.

Diversity and structure of AMF communities as affected by tillage in a temperate soil.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) were studied in differently tilled soils from a long-term field experiment in Switzerland. Diversity and structure of AMF communities were surveyed either directly on spores isolated from the field soil or on spores isolated from trap cultures, planted with different host plants. Single-spore cultures were established from the AMF spores obtained from trap cultures. Identification of the AMF was made by observation of spore morphology and confirmed by sequencing of ITS rDNA. At least 17 recognised AMF species were identified in samples from field and/or trap cultures, belonging to five genera of AMF--Glomus, Gigaspora, Scutellospora, Acaulospora, and Entrophospora. Tillage had a significant influence on the sporulation of some species and non- Glomus AMF tended to be more abundant in the no-tilled soil. The community structure of AMF in the field soil was significantly affected by tillage treatment. However, no significant differences in AMF diversity were detected among different soil tillage treatments. AMF community composition in trap cultures was affected much more by the species of the trap plant than by the original tillage treatment of the field soil. The use of trap cultures for fungal diversity estimation in comparison with direct observation of field samples is discussed.

Controls on 13C and 14C variability in soil CO2

14C dating of groundwater depends on the isotopic composition of both the solid carbonate and the soil CO2 and requires the use of 14C age correction models. To better assess the variability of the 14C activity of soil CO2 (A14Csoil-CO2) and the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2), which are two parameters used in 14C age correction models, we studied the different processes involving carbon isotopes in the soil. The approach used experimental data from two sites in France (Fontainebleau sands and Astian sands) and a steady-state transport model. In most cases, the 14C activity (A14C) of atmospheric CO2 is directly used in the 14C age correction models as the A14Csoil-CO2. However, we demonstrate that since 1950, the evolution of the A14Csoil-CO2 reflects the competition between the fluxes of root-derived CO2 and organic matter-derived CO2. Therefore, the A14Csoil-CO2 must be used to date groundwater that is younger than 60 years old. Moreover, the δ13C of soil CO2 (δ13Csoil-CO2) showed large seasonal variations that must be taken into account in selecting the δ13Csoil-CO2 for 14C age correction models.

Assessing the use of very high resolution data to predict species distribution in a mountain environment

Nowadays, Species Distribution Models (SDMs) are a widely used tool. Using different statistical approaches these models reconstruct the realized niche of a species using presence data and a set of variables, often topoclimatic. There utilization range is quite large from understanding single species requirements, to the creation of nature reserve based on species hotspots, or modeling of climate change impact, etc... Most of the time these models are using variables at a resolution of 50km x 50km or 1 km x 1 km. However in some cases these models are used with resolutions below the kilometer scale and thus called high resolution models (100 m x 100 m or 25 m x 25 m). Quite recently a new kind of data has emerged enabling precision up to lm x lm and thus allowing very high resolution modeling. However these new variables are very costly and need an important amount of time to be processed. This is especially the case when these variables are used in complex calculation like models projections over large areas. Moreover the importance of very high resolution data in SDMs has not been assessed yet and is not well understood. Some basic knowledge on what drive species presence-absences is still missing. Indeed, it is not clear whether in mountain areas like the Alps coarse topoclimatic gradients are driving species distributions or if fine scale temperature or topography are more important or if their importance can be neglected when balance to competition or stochasticity. In this thesis I investigated the importance of very high resolution data (2-5m) in species distribution models using either very high resolution topographic, climatic or edaphic variables over a 2000m elevation gradient in the Western Swiss Alps. I also investigated more local responses of these variables for a subset of species living in this area at two precise elvation belts. During this thesis I showed that high resolution data necessitates very good datasets (species and variables for the models) to produce satisfactory results. Indeed, in mountain areas, temperature is the most important factor driving species distribution and needs to be modeled at very fine resolution instead of being interpolated over large surface to produce satisfactory results. Despite the instinctive idea that topographic should be very important at high resolution, results are mitigated. However looking at the importance of variables over a large gradient buffers the importance of the variables. Indeed topographic factors have been shown to be highly important at the subalpine level but their importance decrease at lower elevations. Wether at the mountane level edaphic and land use factors are more important high resolution topographic data is more imporatant at the subalpine level. Finally the biggest improvement in the models happens when edaphic variables are added. Indeed, adding soil variables is of high importance and variables like pH are overpassing the usual topographic variables in SDMs in term of importance in the models. To conclude high resolution is very important in modeling but necessitate very good datasets. Only increasing the resolution of the usual topoclimatic predictors is not sufficient and the use of edaphic predictors has been highlighted as fundamental to produce significantly better models. This is of primary importance, especially if these models are used to reconstruct communities or as basis for biodiversity assessments. -- Ces dernières années, l'utilisation des modèles de distribution d'espèces (SDMs) a continuellement augmenté. Ces modèles utilisent différents outils statistiques afin de reconstruire la niche réalisée d'une espèce à l'aide de variables, notamment climatiques ou topographiques, et de données de présence récoltées sur le terrain. Leur utilisation couvre de nombreux domaines allant de l'étude de l'écologie d'une espèce à la reconstruction de communautés ou à l'impact du réchauffement climatique. La plupart du temps, ces modèles utilisent des occur-rences issues des bases de données mondiales à une résolution plutôt large (1 km ou même 50 km). Certaines bases de données permettent cependant de travailler à haute résolution, par conséquent de descendre en dessous de l'échelle du kilomètre et de travailler avec des résolutions de 100 m x 100 m ou de 25 m x 25 m. Récemment, une nouvelle génération de données à très haute résolution est apparue et permet de travailler à l'échelle du mètre. Les variables qui peuvent être générées sur la base de ces nouvelles données sont cependant très coûteuses et nécessitent un temps conséquent quant à leur traitement. En effet, tout calcul statistique complexe, comme des projections de distribution d'espèces sur de larges surfaces, demande des calculateurs puissants et beaucoup de temps. De plus, les facteurs régissant la distribution des espèces à fine échelle sont encore mal connus et l'importance de variables à haute résolution comme la microtopographie ou la température dans les modèles n'est pas certaine. D'autres facteurs comme la compétition ou la stochasticité naturelle pourraient avoir une influence toute aussi forte. C'est dans ce contexte que se situe mon travail de thèse. J'ai cherché à comprendre l'importance de la haute résolution dans les modèles de distribution d'espèces, que ce soit pour la température, la microtopographie ou les variables édaphiques le long d'un important gradient d'altitude dans les Préalpes vaudoises. J'ai également cherché à comprendre l'impact local de certaines variables potentiellement négligées en raison d'effets confondants le long du gradient altitudinal. Durant cette thèse, j'ai pu monter que les variables à haute résolution, qu'elles soient liées à la température ou à la microtopographie, ne permettent qu'une amélioration substantielle des modèles. Afin de distinguer une amélioration conséquente, il est nécessaire de travailler avec des jeux de données plus importants, tant au niveau des espèces que des variables utilisées. Par exemple, les couches climatiques habituellement interpolées doivent être remplacées par des couches de température modélisées à haute résolution sur la base de données de terrain. Le fait de travailler le long d'un gradient de température de 2000m rend naturellement la température très importante au niveau des modèles. L'importance de la microtopographie est négligeable par rapport à la topographie à une résolution de 25m. Cependant, lorsque l'on regarde à une échelle plus locale, la haute résolution est une variable extrêmement importante dans le milieu subalpin. À l'étage montagnard par contre, les variables liées aux sols et à l'utilisation du sol sont très importantes. Finalement, les modèles de distribution d'espèces ont été particulièrement améliorés par l'addition de variables édaphiques, principalement le pH, dont l'importance supplante ou égale les variables topographique lors de leur ajout aux modèles de distribution d'espèces habituels.