Characterizing the root-associated microbial community structure after 5 years of phytoremediation on gold mine waste rock in Northern Quebec

Gold mining activities have created numerous environmental problems on mined lands, which have become a growing concern to local communities and regulatory authorities. In recent years, plant-microbe mutualistic interactions have been widely applied in cost-effectively reclaiming mine sites with minor contamination, for restoring the soil's sustainability and productivity. Since post-mining soil is nutrient-deficient for plant colonization, hardy native plants such as alders (Alnus spp.) and boreal conifers that naturally form actinorhizal (e.g., Frankia spp.) and mycorrhizal symbioses are often chosen for improving phytoremediation effectiveness. In the current project, we studied a phytoremediation field trial on a gold mine waste rock pile, at Val-d'Or, QC, since 2012. The plantation consists of two alder species, green alder (Alnus viridis subsp. crispa) and speckled alder (Alnus incana subsp. rugosa), and two conifers, white spruce (Picea glauca) and jack pine (Pinus banksiana). Before mine transplantation, alders were greenhouse-inoculated with Frankia sp. strain AvcI1 alone and in combination with mycorrhizal fungal species, Glomus irregulare and Alpova diplophloeus; while white spruce was inoculated with Hebeloma crustiliniforme and Paxillus involutus, and jack pine was inoculated with Suillus tomentosus and Laccaria bicolor. After 5 years of growth in the field, the community structure (diversity and composition) of microbiota living in the plant's rhizosphere and inside roots (i.e., endophytes) was characterized using amplicon sequencing, which targeted the 16S rRNA gene and the nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS) region for exploring the bacterial/archaeal and fungal communities, respectively, in the environment. On the basis of field observations and measurements, we found that neither inoculation of alders with Frankia nor the dual inoculation with Frankia and mycorrhizal fungi improved alder performance in the mine. In the conifer trial, only the inoculated jack pine had higher survival rates (in 2017) and significantly larger seedling growth compared to the uninoculated seedlings. Amplicon sequencing results revealed that the microbial diversity in both rhizosphere and root compartments did not necessarily increase with inoculation. As for the microbial community composition, except for the jack pine plants inoculated with the ectomycorrhizal (ECM) fungal species Suillus (S. tomentosus) and Laccaria (L. bicolor), no contrasting difference was found between the inoculated and uninoculated (control) plants. In the rhizosphere and bulk soils of the inoculated jack pine plants, we found a higher relative abundance of the bacterial families Acetobacteraceae and Sphingomonadaceae compared to their dominance in the control plants, whereas inside roots, we found the family Acidobacteriaceae (Subgroup 1) was much more abundant in inoculated plants compared to its relative abundance in control plants. In addition, a Suillus fungal genus, which is suspected to be our inoculum S. tomentosus, was found dominating the fungal communities in the inoculated jack pine's rhizosphere, bulk soils and roots, whereas this genus was absent from the control plants. This finding may explain the promoted growth of the inoculated jack pine plants. Regardless of inoculation effects, the planted soils in general improved soil characteristics of the mine leading to a neutral soil pH (7.0), higher moisture content, and a much higher microbial relative abundance.L'exploitation de l'or a créé plusieurs problèmes environnementaux sur les terres minées et est devenu une préoccupation croissante pour la communauté locale et les autorités responsables de la réglementation. Depuis quelques années, l'interaction mutualiste plante-microbe est utilisée afin de restaurer la durabilité et la productivité du sol des zones minières faiblement contaminées. Le sol post-minier étant pauvre en éléments nutritifs, des plantes indigènes robustes telles que les aulnes (Alnus spp.) et les conifères boréaux qui forment naturellement des symbioses avec des microbes sont fréquemment choisies pour augmenter l'efficacité de la phytoremédiation. Dans ce projet, nous avons effectué un essai de terrain en phytoremédiation sur une pente de stériles de la mine d'or Sigma, à Val-d'Or, au Québec, depuis 2012. La plantation comprend deux espèces d'aulne, l'aulne vert (Alnus viridis subsp. crispa) et de l'aulne maculé (Alnus incana subsp. rugosa) et deux conifères, l'épinette blanche (Picea glauca) et le pin gris (Pinus banksiana). Avant la plantation, les deux espèces d'aulnes ont été inoculées en serre, avec la souche Frankia AvcI1 seulement et en combinaison avec les espèces fongiques mycorhiziennes, Glomus irregulare et Alpova diplophloeus; tandis que l'épinette blanche était inoculée avec Hebeloma crustiliniforme et Paxillus involutus, et le pin gris, avec Suillus tomentosus et Laccaria bicolor. Après cinq ans de croissance, la structure de la communauté (diversité et composition) du microbiome associé aux racines (communautés microbiennes de la rhizosphère et endophytes) a été caractérisée à l'aide d'un séquençage d'amplicons ciblant le gène de l'ARNr 16S et la région d'espace transcrit interne (ITS) pour la caractérisation des communautés bactériennes/archaïennes et fongiques, respectivement. Nos résultats ont indiqué que ni l'inoculation des aulnes avec Frankia ni la double inoculation avec Frankia et les champignons mycorhiziens n'amélioraient la performance des aulnes dans la mine. Dans l'essai sur les conifères, seul le pin gris inoculé (en 2017) avait des taux de survie significativement supérieurs et une production de biomasse de plantules supérieure à celle des plantes témoins non inoculées. Les résultats du séquençage ont révélé que la diversité dans la rhizosphère et les compartiments radiculaires n'a pas augmenté après l'inoculation. À l'exception des semis de pin gris inoculés avec les espèces fongiques ectomycorhiziennes (ECM) Suillus (S. tomentosus) et Laccaria (L. bicolor), la composition microbienne associée aux racines n'était pas significativement distincte de leurs équivalents non inoculés (plantes témoins). Les familles bactériennes Acetobacteraceae et Sphingomonadaceae ont montré une abondance relative plus élevée dans la rhizosphère et dans les sols en vrac de pins gris inoculés par la ECM par rapport aux pins non inoculés; dans le compartiment racinaire, la famille des Acidobacteriaceae (sous-groupe 1) était plus abondante dans le pin inoculé à la ECM que dans le pin non inoculé. De plus, un genre de champignon Suillus que nous soupçonnons être notre inoculum S. tomentosus, a été trouvé dominant dans la rhizosphère, dans le sol en vrac et dans les racines de pins inoculés à la ECM, alors que ce genre n'était pas présent dans les plantules de pins non inoculées. Cette découverte pourrait expliquer l'impact positif sur la croissance du pin gris. Indépendamment des effets d'inoculation, les sols plantés ont améliorés en général, les caractéristiques du sol de la mine, favorisant un pH du sol neutre (7.0), une teneur en eau plus élevée et une abondance microbienne relative beaucoup plus élevée