The effect of mycorrhizal fungi associated with willows growing on marginal agricultural land

Abstract

Cette thèse porte sur une expérience réalisée sur des terres agricoles d’une superficie totale d’environ 1,4 hectare, durant trois saisons de croissance, de 2010 à 2012. Les performances de Salix miyabeana SX61 et SX64, deux cultivars de saule hautement productifs en biomasse, ont été testées dans trois types de sols très différents mais tous marginaux pour l’agriculture. Pour chacun des trois sites, la culture des deux cultivars de saule a été menée avec ou sans fertilisation à l’azote (75 kg/ha) et avec ou sans inoculation mixte par des champignons symbiotiques de types mycorhizien arbusculaire (AM) Rhizoglomus irregulare et ectomycorhizien (EM) Hebeloma longicaudum. Cette approche est différente de la plupart des expériences d’inoculation par mycorhizes portant sur des arbres ou même sur la plupart des légumes, car les boutures de saule sont plantées directement dans le sol plutôt qu’en transplantant de jeunes plants cultivés en sol stérile, en serre ou en pépinière. De cette manière, tous les plants de saule (contrôle et traitement) ont été mis en contact avec la microflore du sol dès leur premier stade de développement. L’inoculum ajouté aux plants traités s’est donc retrouvé en compétition directe avec les microorganismes indigènes déjà présents dans le sol, ce qui reflète plus fidèlement les pratiques agricoles courantes et augmente de la même façon la pertinence et d’application pratique des résultats. De plus, ces résultats ne feront pas l’objet d’un biais caché qui pourrait influencer les expériences d’inoculation dont les plants de contrôle poussent dans des sols complètement stériles pendant leur période de croissance initiale. Bien que potentiellement d’un rôle important, les organismes indigènes existant dans les sols marginaux pour l’agriculture sont relativement sous-étudiés. Afin d’apporter un éclairage sur la question, l’étude présentée dans cette thèse porte en grande partie sur les communautés mycorhiziennes natives du sol. Celles-ci ont été identifiées par clonage et séquençage. Ainsi, l’ADN de 36 échantillons de racines et d’extraits de rhizosphère, récoltés en fin de première saison de croissance (2010), a été extrait, amplifié par PCR puis cloné et séquencé, en utilisant le gène universel de champignon ITS et le gène 18S spécifique au type AM. Un séquençage plus exhaustif a été effectué, par Illumina MiSeq, sur l’ADN extrait de 96 échantillons de rhizosphère prélevés à la fin de la saison 2011, en ciblant le gène ITS. Ceci nous a permis de dresser un profil des principales souches mycorhiziennes présentes sur nos divers sites. Nous avons observé une hausse de croissance marquée suite à la fertilisation à l’azote, ainsi qu’une hausse substantielle de croissance initiale pour le champ humide et plus sablonneux, bien que ces résultats soient limités à une observation qualitative étant donné que l’expérience n’était pas élaborée pour tester directement l’effect de la fertilisation. De plus, et contrairement aux études publiées sur l’inoculation par des mycorhizes en milieu stérile, partiellement stérile ou en serre, notre expérience d’inoculation en champ non stérile n’a procuré aux boutures de saule aucun bénéfice en termes de croissance. Ceci suggère une certaine dominance des souches mycorhiziennes natives du sol, qu’il importe dès lors d’investiguer, de même que leur grande diversité révélée dans nos résultats de séquençage. Nos résultats suggèrent également une forte spécificité des mycorhizes natives pour les types de sol rencontrés, qui nécessite d’être mieux comprise, même si de nombreuses souches identifiées sont probablement des mycorhizes présentes sur les deux cultivars.

This thesis involved a farm-scale field experiment that ran for three growing seasons from 2010 to 2012, and covered almost 1.4 hectares in total. The experiment used two cultivars of shrub willows grown for biomass, Salix miyabeana Seeman SX61 and SX64, on three very different marginal fields, with and without a nitrogen fertilization treatment of 75 kg/ha, and with and without a mixed symbiotic fungal inoculation treatment of the arbuscular mycorrhizal (AM) species Rhizoglomus irregulare and the ectomycorrhizal (EM) species Hebeloma longicaudum. This experiment was unique from most mycorrhizal inoculation experiments with trees or even most vegetables, because willow cuttings are planted directly into farm soil (instead of started as seedlings in a nursery or greenhouse). Both the control willows and treated willows interacted from the beginning with intact, unsterilized soil. The inoculum had to compete throughout with the native microorganisms already present, providing a robust proxy for agricultural systems planting with seed and increasing the practical relevance and applicability of these results. The results will also not contain a hidden bias that we believe could affect inoculation experiments whose control plants grow in completely sterile soil during their initial growth period. The fact that our experiment includes the imperfectly understood wild organisms that exist in unsterile farm soil, explains why a large part of this thesis is also an exploration of the native mycorrhizal community. PCR-cloning-sequencing targeting the universal fungal Internal transcribed spacer (ITS) as well as an AM specific 18S fragment, was used on DNA extracted from 36 root and rhizospheric soil samples obtained at the end of the first growing season in 2010. Then more comprehensive Illumina MiSeq sequencing targeting the fungal ITS was used on DNA extracted from 96 rhizospheric soil samples obtained at the end of the second growing season in 2011. We did observe a marked increase in growth with nitrogen fertilization on marginal land, as well as a substantial increase in initial growth correlated with a higher-moisture, higher-sand-percentage-soil field, though these findings are limited to qualitative observation as the experiment was not designed to test them specifically. Notably, this experiment conducted in unsterilized farm soil showed no growth benefit from inoculating with mycorrhizal fungi, in direct contrast with lab and greenhouse results obtained in the past. Furthermore, the inoculum did not appear to compete successfully with numerous indigenous fungi. Interestingly, the majority of the indigenous fungi present have never been cultured or studied. Also, even though many of the fungi are likely mycorrhizal and all associated with cuttings of the same two willow cultivars, the fungal community in one of the test fields is very different from those fungi in the other two fields. This difference could correlate to a marked difference in soil type.