CO2 uptake by a soil microcosm

Sequestration of CO2 via biological sinks is a matter of great scientific importance due to the potential lowering of atmospheric CO2. In this study, a custom built incubation chamber was used to cultivate a soil microbial community to instigate chemoautotrophy of a temperate soil. Real-time atmospheric CO2 concentrations were monitored and estimations of total CO2 uptake were made. After careful background flux corrections, 4.52 +/- 0.05 g CO2 kg I dry soil was sequestered from the chamber atmosphere over 40 h. Using isotopically labelled (CO2)-C-13 and GCMS-IRMS, labelled fatty acids were identified after only a short incubation, hence confirming CO2 sequestration for soil. The results of this in vivo study provide the ground work for future studies intending to mimic the in situ environment by providing a reliable method for investigating CO2 uptake by soil microorganisms.(C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Are power laws that estimate fractal dimension a good descriptor of soil structure and its link to soil biological properties?

The study of interrelationships between soil structure and its functional properties is complicated by the fact that the quantitative description of soil structure is challenging. Soil scientists have tackled this challenge by taking advantage of approaches such as fractal geometry, which describes soil architectural complexity through a scaling exponent (D) relating mass and numbers of particles/aggregates to particle/aggregate size. Typically, soil biologists use empirical indices such as mean weight diameters (MWD) and percent of water stable aggregates (WSA), or the entire size distribution, and they have successfully related these indices to key soil features such as C and N dynamics and biological promoters of soil structure. Here, we focused on D, WSA and MWD and we tested whether: D estimated by the exponent of the power law of number-size distributions is a good and consistent correlate of MWD and WSA; D carries information that differs from MWD and WSA; the fraction of variation in D that is uncorrelated with MWD and WSA is related to soil chemical and biological properties that are thought to establish interdependence with soil structure (e.g., organic C, N, arbuscular mycorrhizal fungi). We analysed observational data from a broad scale field study and results from a greenhouse experiment where arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and collembola altered soil structure. We were able to develop empirical models that account for a highly significant and large portion of the correlation observed between WSA and MWD but we did not uncover the mechanisms that underlie this correlation. We conclude that most of the covariance between D and soil biotic (AMF, plant roots) and abiotic (C. N) properties can be accounted for by WSA and MWD. This result implies that the ecological effects of the fragmentation properties described by D and generally discussed under the framework of fractal models can be interpreted under the intuitive perspective of simpler indices and we suggest that the biotic components mostly impacted the largest size fractions, which dominate MWD, WSA and the scaling exponent ruling number-size distributions. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Just a matter of time: Fungi and roots significantly and rapidly aggregate soil over four decades along the Tagliamento River, NE Italy

Fluvial islands are emergent landforms which form at the interface between the permanently inundated areas of the river channel and the more stable areas of the floodplain as a result of interactions between physical river processes, wood and riparian vegetation. These highly dynamical systems are ideal to study soil structure development in the short to medium term, a process in which soil biota and plants play a substantial role. We investigated soil structure development on islands along a 40 year chronosequence within a 3 km island-braided reach of the Tagliamento River, Northeastern Italy. We used several parameters to capture different aspects of the soil structure, and measured biotic (e.g., fungal and plant root parameters) and abiotic (e.g. organic carbon) factors expected to determine the structure. We estimated models relating soil structure to its determinants, and, in order to confer statistical robustness to our results, we explicitly took into account spatial autocorrelation, which is present due to the space for time substitution inherent in the study of chronosequences and may have confounded results of previous studies. We found that, despite the eroding forces from the hydrological and geomorphological dynamics to which the system is subject, all soil structure variables significantly, and in some case greatly increased with site age. We interpret this as a macroscopic proxy for the major direct and indirect binding effects exerted by root variables and extraradical hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). Key soil structure parameters such as percentage of water stable aggregates (WSA) can double from the time the island landform is initiated (mean WSA = 30%) to the full 40 years (mean WSA = 64%) covered by our chronosequence. The study demonstrates the fundamental role of soil biota and plant roots in aggregating soils even in a system in which intense short to medium term physical disturbances are common.

Choosing and using diversity indices: Insights for ecological applications from the German Biodiversity Exploratories

Biodiversity, a multidimensional property of natural systems, is difficult to quantify partly because of the multitude of indices proposed for this purpose. Indices aim to describe general properties of communities that allow us to compare different regions, taxa, and trophic levels. Therefore, they are of fundamental importance for environmental monitoring and conservation, although there is no consensus about which indices are more appropriate and informative. We tested several common diversity indices in a range of simple to complex statistical analyses in order to determine whether some were better suited for certain analyses than others. We used data collected around the focal plant Plantago lanceolata on 60 temperate grassland plots embedded in an agricultural landscape to explore relationships between the common diversity indices of species richness (S), Shannon's diversity (H'), Simpson's diversity (D1), Simpson's dominance (D2), Simpson's evenness (E), and Berger–Parker dominance (BP). We calculated each of these indices for herbaceous plants, arbuscular mycorrhizal fungi, aboveground arthropods, belowground insect larvae, and P. lanceolata molecular and chemical diversity. Including these trait-based measures of diversity allowed us to test whether or not they behaved similarly to the better studied species diversity. We used path analysis to determine whether compound indices detected more relationships between diversities of different organisms and traits than more basic indices. In the path models, more paths were significant when using H', even though all models except that with E were equally reliable. This demonstrates that while common diversity indices may appear interchangeable in simple analyses, when considering complex interactions, the choice of index can profoundly alter the interpretation of results. Data mining in order to identify the index producing the most significant results should be avoided, but simultaneously considering analyses using multiple indices can provide greater insight into the interactions in a system.

Degradation of the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) fluorene is retarded in a Scots pine ectomycorrhizosphere

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are an important class of persistent organic pollutants (POPs) in the environment and accumulate in forest soils. These soils are often dominated by ectomycorrhizal (EcM) roots, but little is known about how EcM fungi degrade PAHs, or the overall effect of field colonized EcM roots on the fate of PAHs. The ability of eight EcM fungi to degrade PAHs in liquid culture spiked with ¹⁴C labelled PAHs was investigated. Microcosms were used to determine the impact of naturally colonized mycorrhizal pine seedlings on PAH mineralization and volatilization. Only two EcM fungi (Thelephora terrestris and Laccaria laccata) degraded at least one PAH and none were able to mineralize the PAHs in pure culture. Where degradation occurred, the compounds were only mono-oxygenated. EcM pine seedlings did not alter naphthalene mineralization or volatilization but retarded fluorene mineralization by 35% compared with unplanted, ectomycorrhizosphere soil inoculated, microcosms. The EcM fungi possessed limited PAH degrading abilities, which may explain why EcM dominated microcosms retarded fluorene mineralization. This observation is considered in relation to the 'Gadgil-effect', where retarded litter decomposition has been observed in the presence of EcM roots. © New Phytologist (2004).

Ericoid mycorrhiza:A partnership that exploits harsh edaphic conditions

Plants that form ericoid mycorrhizal associations are widespread in harsh habitats. Ericoid mycorrhizal fungal endophytes are a genetically diverse group, and they appear to be able to alleviate certain environmental stresses and so facilitate the establishment and survival of Ericaceae. Some of the fungal taxa that form ericoid mycorrhizas, or at least closely related strains, also form associations with other plant hosts (trees and leafy liverworts). The functional significance of these associations and putative mycelial links between Ericaceae and other plant taxa, however, remain unclear. Evidence from environments that are contaminated by toxic metals indicates that ericoid mycorrhizal fungal endophytes, and in some instances their plant hosts, can evolve resistance to these metals. The apparent ability of these endophytes to develop resistance enables ericoid mycorrhizal plants to colonize polluted soil. This seems to be a major factor in the success of ericoid mycorrhizal taxa in a range of harsh environments.

Genetic diversity of root-associated fungal endophytes from Calluna vulgaris at contrasting field sites

A total of 107 putative ericoid mycorrhizal endophytes were isolated from hair roots of Calluna vulgaris from two abandoned arsenic/copper mine sites and a natural heathland site in southwest England. The endophytes were initially grouped as 14 RFLP types, based on the results of ITS-RFLP analysis using the restriction endonucleases Hinf I, Rsa I and Hae III. ITS sequences were obtained for representative isolates from each RFLP type and compared phylogenetically with sequences for known ericoid mycorrhizal endophytes and selected ascomycetes. The majority of endophyte isolates (62-92%) from each site were identified as Hymenoscyphus ericae, but a number of other less common mycorrhizal RFLP types were also identified, all of which appear to have strong affinities with the order Leotiales. None of the less common RFLP types was isolated from C. vulgaris at more than one field site. Neighbour-joining analysis indicated similarities between the endophytes from C. vulgaris and mycorrhizal endophytes isolated from other Ericaceae and Epacridaceae hosts in North America and Australia.

Cross-colonization of scots pine (Pinus sylvestris) seedlings by the ectomycorrhizal fungus Paxillus involutus in the presence of inhibitory levels of Cd and Zn

The effects of Cd and Zn on cross-colonization by Paxillus involutus of Scots pine seedlings was examined by using pairs of ectomycorrhizal (ECM) and non-mycorrhizal (NM) seedlings grown in the same vessel. This was done to assess, first, the ability of P. involutus to colonize NM Scots pine seedlings by growth from colonized roots of other Scots pine seedlings in the presence of Cd or Zn, and, second whether ECM colonization of Scots pine by P. involutus provided a competitive advantage over NM seedlings. Ectomycorrhizal colonization of Scots pine was shown to be more sensitive than Scots pine itself to Cd and Zn, but prior colonization did provide a competitive advantage with respect to biomass production. This beneficial effect over NM seedlings was, however, equal in the control, Cd and Zn treatments, and was due simply to growth stimulation in the presence of ECM colonization. Cross-colonization from an ECM to a NM seedling was reduced but not prevented by Cd and Zn. Cd had a more negative effect on cross-colonization than on initial colonization of seedlings, whereas Zn had an equally inhibitory effect on both parameters. These results have important implications for plant establishment on metal-contaminated sites. If cross-colonization between plants is reduced by toxic metals, plant establishment on contaminated sites might be retarded.

Étude du polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline chez des espèces de champignons mycorhiziens à arbuscules en vue de développer des marqueurs moléculaires

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA), classés dans le phylum Glomeromycota, ne peuvent pas être facilement identifiés par la morphologie de leurs spores et leurs mycélia à l'intérieur ou à l'extérieur des racines de leurs hôtes. Ce problème fondamental d'identification rend l'étude de leur diversité, en particulier dans leur habitat naturel (sol et racine) extrêmement difficile. Les gènes ribosomaux ont été largement utilisés pour développer des amorces spécifiques et en inférer des arbres phylogénétiques. Cependant, ces gènes sont très polymorphes et existent en plusieurs copies dans le génome des CMA, ce qui complique l’interprétation des résultats. Dans notre étude, nous avons étudié le polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline, présent en faible nombre de copies dans le génome des CMA, afin d’obtenir de nouvelles séquences nucléotidiques pour développer des marqueurs moléculaires. Les gènes β-tubuline amplifiés à partir de l'ADN génomique de cinq espèces du genre Glomus ont été clonés et séquencés. L’analyse des séquences indique un polymorphisme intraspécifique chez trois espèces de CMA. Deux séquences paralogues très variables ont été nouvellement identifiées chez les G. aggregatum, G. fasciculatum et G. cerebriforme. Aucun polymorphisme n’a été détecté chez les G. clarum et G. etunicatum. Toutes les séquences montrent la présence de deux introns hautement variables. La majorité des substitutions ont été localisées dans les exons et sont synonymes à 90%. La conservation des acides aminés suggère un niveau élevé de sélection négative sur le gène β-tubuline et nous permet de confirmer que les CMA représentent un ancien groupe fongique (400 million d’années). L’analyse phylogénétique, réalisée avec vingt et une séquences nucléotidiques du gène β-tubuline, a révélé que les séquences des Glomaceae forment un groupe monophylétique bien supporté, avec les Acaulosporaceae et Gigasporaceae comme groupe frère. Les séquences paralogues nouvellement identifiées chez les G. aggregatum et G. fasciculatum n'ont pas été monophylétiques au sein de chaque espèce. Les oligonucléotides ont été choisis sur la base des régions variables et conservées du gène β-tubuline. Le test PCR des amorces β-Tub.cerb.F/ β-Tub.cerb.R a révélé des bandes spécifiques de 401 pb pour les séquences paralogues du G. cerebriforme. Deux paires d’amorces ont été développées afin d’identifier les séquences du groupe nommé Tub.1. Les tests PCR nous ont permis d’identifier certaines séquences du groupe Tub.1. Une paire d’amorce β-Tub.2.F/ β-Tub.2.R nous a permis d’identifier certaines séquences paralogues du groupe nommé Tub.2. L’analyse d’autres gènes combinée à celle du gène β-tubuline permettra le développement de marqueurs moléculaires plus spécifiques pour l’identification de CMA.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Étude de l’interaction entre le champignon mycorhizien Glomus irregulare et les bactéries du sol

Dans cette étude, nous avons isolé et cultivé des bactéries intimement liées aux spores du champignon mycorhizien Glomus irregulare prélevées dans la rhizosphère de plants d’Agrostis stolonifera L. récoltés dans un sol naturel. Le séquençage des 29 morphotypes isolés a révélé la présence de seulement sept taxons bactériens (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus et Kocuria rhizophila). Des isolats de chacun de ces sept taxons ont ensuite été cultivés in vitro sur le mycélium de G. irregulare afin d’observer par microscopie leur capacité à croitre et à s’attacher au mycélium en absence d’éléments nutritifs autres que ceux fournis par le champignon. Tous les isolats, sauf B. cereus, ont été capables de bien croitre dans le système expérimental et de s’attacher au mycélium en formant des structures ressemblant à des biofilms sur la surface du champignon. Toutefois, B. simplex formait ces structures plus rapidement, soit en 15 jours, alors que les autres isolats les ont formés après 30 jours (K. rhizophila et B. megaterium) ou 45 jours (V. paradoxus, M. ginsengiosoli et Sphingomonas sp.). D’autre part, la technique PCR-DGGE a permis d’analyser la diversité bactérienne associée aux spores. La diversité des taxons associés aux spores de G. irregulare qu’il a été possible d’isoler et de cultiver in vitro a été nettement moindre que celle qui était présente sur la surface des spores, alors que la biodiversité bactérienne totale du sol a été encore beaucoup plus élevée. Les bactéries associées aux champignons mycorhiziens jouent probablement un rôle important dans la capacité des plantes à résister aux stress biotiques et abiotiques auxquels elles sont soumises.

Reproduction et échanges génétiques horizontaux chez les champignons mycorhiziens à arbuscules

3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire

Diversité des champignons endophytes mycorhiziens et de classe II chez le pois chiche, et influence du génotype de la plante

réalisé en cotutelle avec la Faculté des Sciences de Tunis, Université Tunis El Manar.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.