Defining molecular components of symbiotic phosphate uptake in rice

Phosphate (Pi) acquisition of crops via arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis acquires increasing importance due to the limited rock Pi reserves and the demand for environmentally sustainable agriculture. However, the symbiotic Pi uptake machinery has not been characterized in any monocotyledonous plant species. Among these, rice is the primary staple food for more than half of the human population and thus central for future food security. However, the relevance of the AM symbiosis for rice Pi nutrition is presently unclear. Here, we show that 70% of the overall Pi acquired by rice is delivered via the symbiotic route. To better understand this pathway we combined genetic, molecular and physiological approaches to determine the specific functions of the two rice Pi transporters, PT11 and PT13, which are expressed only during AM symbiosis. The PT11 lineage of proteins is present in mono- and dicotyledons whereas PT13, while found across the Poaceae, is absent from dicotyledons. Surprisingly, mutations in either PT11 or PT13 affected fungal colonization and arbuscule formation demonstrating that both genes are essential for AM symbiosis between rice and Glomus intra.rad.ices. Importantly, for symbiotic Pi uptake, only PT11 is necessary and sufficient. We found that mycorrhizal rice, remarkably, received almost all Pi via the symbiotic route. Such dominating mycorrhizal Pi uptake was found in plants grown under controlled conditions as well as in field soils, suggesting that the AM symbiosis is relevant for the Pi nutrition of field grown rice. Development of smaller arbuscules in PT11 mutants suggested that symbiotic Pi signaling is required for fungal nourishment by the plant. However, co-culture of mutant with wild type nurse plants did not restore normal arbuscule size in mutant roots, indicating that other factors than malnutrition accounted for the altered arbuscule phenotype. Surprisingly, the loss of PT13 did not affect symbiotic Pi uptake although it impacted arbuscule morphology, suggesting that PT13 is involved in signaling during arbuscule development. However, induction of PT13 was not only monitored in arbusculated cells but also in inner cortex cells of non-inoculated roots of plants grown under high Pi fertilization conditions. According to preliminary observations, PT13 localized at the tonoplast in arbusculated and non-arbusculated cells, suggesting that it might be involved in transporting Pi into the vacuole, possibly for maintaining cellular Pi homeostasis. The further investigation showed that fungal colonization level was significantly affected in the crown roots of two ptlS mutant alleles, but not in large lateral roots, implying the possible role of PT13 for maintaining Pi homeostasis in the crown roots. - L'acquisition de phosphate (Pi) par les plantes cultivées s'effectue grâce à une symbiose mycorhizienne arbasculaire (AM). L'étude de cette symbiose devient fondamentale puisque d'une part, les réserves en phosphate minéral sont limitées, et, d'autre part, la demande pour une agriculture écologiquement soutenable se renforce. La machinerie d'absorption symbiotique du phosphate n'est cependant pas encore élucidée chez les plantes monocotylédones. Parmi celles-ci, le riz occupe une place primordiale. Aliment de base pour plus de la moitié de la population mondiale, il revêt de ce fait une dimension essentielle en termes de sécurité alimentaire. Pourtant, l'importance de la symbiose AM chez le riz dans le processus d'acquisition du phosphate n'est, encore de nos jours, que peu comprise. Dans cette étude, nous montrons que 70% du phosphate acquis par le riz est mis à disposition de la plante grâce à la symbiose AM. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, nous avons employé des approches physiologiques et génétiques nous permettant de déterminer les fonctions spécifiques de deux transporteurs de Pi, PT11 et PT13, présents chez le riz et exprimés uniquement durant la symbiose AM. La famille de gènes à laquelle appartient PT11 est présente chez les monocotylédones ainsi que chez les dicotylédones tandis que PT13, bien que retrouvé au sein des Poaceae, est absent chez les dicotylédones. Etonnamment, des versions mutées de PT11 ou de PT13 affectent la colonisation par le champignon endo-mycorhizien ainsi que la formation d'arbuscules, démontrant l'importance de ces deux gènes dans la symbiose AM entre le riz et Glomus intraradices. Il est à noter que seul PT11 se révèle nécessaire et suffisant pour l'apport de Pi grâce à la symbiose. Nous avons observé que la presque totalité du phosphate dont dispose le riz lors d'une symbiose AM provient du champignon. De telles proportions ont été observées tant chez des plantes cultivées en conditions contrôlées que chez des plantes cultivées dans les champs. Cela suggère l'importance de la symbiose AM dans le processus d'acquisition du Pi chez le riz cultivé à l'extérieur. Le développement d'arbuscules plus petits chez le mutant PT11 tend à montrer qu'une voie signalétique impliquant le Pi symbiotique est nécessaire pour l'entretien du champignon par la plante. Toutefois, une co-culture du mutant avec des plantes sauvages ne permet pas de restaurer des arbuscules de taille normale dans les racines du mutant. Ce résultat indique le rôle de facteurs autres que la malnutrition aboutissant à la formation d'arbuscules altérés. Si la perte de PT13 n'affecte pas l'acquisition de phosphate symbiotique, la morphologie de l'arbuscule est, quant à elle, modifiée. Ceci suggère un rôle de PT13 durant le développement de l'arbuscule. Or, l'induction de PT13 est non seulement détectée dans des cellules contenant des arbuscules mais également dans des cellules du cortex, ceci chez des plantes cultivées sans champignon mais dans des conditions de fortes concentrations en engrais phosphaté. En accord avec des observations précédentes, PT13 est localisé au niveau du tonoplaste des cellules contenant ou non des arbuscules. Ceci suggère que PT13 pourrait être impliqué dans le transport du Pi vers la vacuole, éventuellement pour maintenir une certaine homéostasie du phosphate. Dans cette étude, nous démontrons également que le niveau de colonisation par le champignon est affecté de manière significative dans les racines principales des deux allèles du mutants ptl3, mais pas dans les grosses racines latérales. Cela impliquerait un rôle possible de PT13 dans le maintien de l'homéostasie du phosphate dans les racines principales. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC Le phosphate (Pi), l'un des éléments minéraux essentiel au développement des plantes, se trouve généralement en faible quantité dans le sol, limitant ainsi la croissance des plantes. Le rendement de la production agricole dépend dès lors de l'addition d'engrais contenant du phosphate inorganique (Pi), obtenu à partir de ressources minières riches en phosphate. Or, ces ressources devraient être épuisées d'ici la fin du siècle. Les racines des plantes possèdent des transporteurs de phosphate efficaces leur permettant d'acquérir rapidement le Pi présent dans le sol. Comme le Pi s'avère immobile dans le sol, l'absorption rapide par les racines crée des zones pauvres en Pi autour des systèmes racinaires. Pour surmonter cet obstacle, les plantes ont développé une symbiose avec des champignons endomycorhiziens, la symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM). Cette association leur donne accès à d'autres ressources en phosphate puisque le mycélium de ces champignons se développe sur une surface 100 fois supérieure à celle des racines. Cela augmente considérablement la surface de nutrition, dépassant ainsi la zone appauvrie en Pi. Le phosphate, transporté grâce au champignon jusqu'à l'intérieur des racines, est fourni à la plante par le biais de structures établies à l'intérieur des cellules végétales, appelées arbuscules. De leur côté, les plantes possèdent des transporteurs spécifiques afin de recevoir le Pi fourni par les champignons. A l'heure actuelle, la machinerie nécessaire à cette absorption a été uniquement décrite chez des plantes dicotylédones. Or, comprendre l'apport de phosphate par les champignons mycorhiziens s'avère particulièrement pertinent dans le cas des espèces monocotylédones cultivées telles que les céréales. Ces dernières constituent en effet la majeure partie de l'alimentation humaine. Parmi les céréales, le riz demeure l'aliment de base de la population mondiale, d'où son importance en terme de sécurité alimentaire. Durant mon travail de thèse, j'ai identifié et caractérisé le transporteur du riz impliqué dans l'apport de phosphate par ce type de symbiose AM. J'ai également démontré que le riz, lorsqu'il vit en symbiose, bénéficie de la presque totalité du Pi transporté par le champignon. Environ 40% de la production globale de riz est cultivée dans des conditions permettant la symbiose avec des mycorhizes arbusculaires. Les variétés de riz adaptées à ces conditions aérobiques deviennent des alternatives favorables aux cultivars actuels nécessitant une forte irrigation. Elles se révèlent en effet plus tolérantes aux pénuries d'eau et permettent l'utilisation de pratiques agricoles moins intensives. Les données présentées dans cette étude enrichissent nos connaissances concernant l'absorption du phosphate chez le riz grâce à la symbiose AM. Ces connaissances peuvent s'avérer décisives pour le développement de cultivars du riz plus adaptés à une agriculture écologiquement soutenable.

Levosimendan as rescue therapy after surgery for congenital heart disease

Objectives: Levosimendan, a calcium-sensitizing agent has been reported as useful for the management of patients with low cardiac output state. We report here our experience, safety and efficacy of use of levosimendan as rescue therapy after surgery for congenital heart disease. Methods: Retrospective cohort study on patients necessitating levosimendan therapy for post operative low cardiac output or severe post operative systolic and diastolic dysfunction. Twelve patients with a mean age of 2.1 years (range 7 days - 14 years old) received levosimendan. Type of surgery: 3 arterial switch, 3 correction of complete abnormal pulmonary venous return, 3 closure of VSD and correction of aortic coarctation, 3 Tetralogy of Fallot, one correction of truncus arteriosus and one palliation for single ventricle. The mean time of ECC was 203 +/- 81min. Ten patients received levosimendan for low cardiac output not responding to conventional therapy in these cases (milrinone, dopamine and noradrenaline) in the first 6 hours following entry in the ICU and 3 patients received levosimendan 3-4 days after surgery for severe systolic and diastolic dysfunction. Levosimendan was given as a drip for 24-48 hours at the dose of 0.1-0.2 mcg/ kg/min, without loading dose. Results: Significant changes were noted on mean plasmatic lactate (3.3 +/- 1.7mmole/L vs 1.8 +/-0.6mmole/L, p+0.01), mean central venous saturation (55 +/- 11% vs 68 +/- 10%, p+0.01) and mean arterio-venous difference in CO2 (9.6 +/- 4.9mmHg vs 6.7 +/- 2.1mmHg, p+0.05) for values before and at the end of levosimendan administration. There was no significant changes on heart rate, systolic pressure or central venous pressure. No adverse effect was observed. Conclusion: Levosimendan, used as rescue therapy after surgery for congenital heart disease, is safe and improves cardiac output as demonstrated with improvement of parameters commonly used clinically.

Usages de l'eau à Gaya (Niger) : entre fortes potentialités et contraintes majeures

Résumé: Le département de Gaya, cadre de notre étude, est situé au sud-ouest de la république du Niger. Il dispose d'un important potentiel hydrique composé des eaux de surface (une centaine de mares permanentes, le fleuve Niger sur 106 km) et de sept aquifères superposés comprenant des nappes de subsurface (affleurantes par endroit) et des nappes artésiennes. L'étude sur les usages de l'eau à Gaya a été menée à travers plusieurs axes centrés sur l'estimation et la répartition spatiale des ressources en eau, le cadre juridique et institutionnel régulant leur mise en valeur, les différents secteurs d'utilisation de l'eau ainsi que les contraintes affectant cette utilisation. L'usage de la cartographie à travers les SIG dans le traitement et l'analyse des données, couplée à notre expérience d'une dizaine d'année de travaux dans la région, a permis de dresser des synthèses richement illustrées permettant de mieux comprendre tous les enjeux liés à la problématique des usages de l'eau dans cette partie du Niger. Contrairement à la vision que l'on a traditionnellement du Sahel où le manque d'eau constitue une des contraintes majeures au développement, ici des conditions locales particulières contredisent ce cliché et transposent le débat sur un autre plan. Il s'agit de la maîtrise de l'eau au niveau local à travers l'élaboration d'une politique appropriée qui tienne compte non seulement des spécificités locales de la ressource, mais aussi des différents types d'usages. La politique de l'eau au Niger, définie selon le Schéma directeur de mise en valeur et de gestion des ressources en eau, à travers la mise en place d'un important arsenal juridique et institutionnel, a eu le mérite de tracer un canevas sur la question, mais a montré ses limites au niveau pratique après dix ans d'essai. En effet au niveau de Gaya, ni l'Etat ni les partenaires au développement (bailleurs de fonds extérieurs) n'ont tenu compte des caractéristiques locales de la ressource ou du contexte socioéconomique particulier de la région. Ce qui a entraîné la réalisation d'infrastructures inadaptées aux réalités hydrogéologiques locales ainsi que des choix inappropriés au niveau de certains aménagements. En dépit de l'abondance de la ressource, son accès tant au niveau quantitatif que qualitatif, reste difficile pour une grande partie des acteurs ruraux. Les différents handicaps rencontrés dans la mise en valeur des ressources en eau résultent de cette incohérence de la politique nationale de l'eau, mais aussi de la difficulté de son application sur le terrain où persiste un pluralisme juridique caractérisé par la cohabitation de deux systèmes de régulation à savoir les droits coutumiers et la législation moderne. Ces différents éléments mis en évidence dans cette étude sur la zone de Gaya pourraient servir de base pour un meilleur aménagement des ressources en eau dans le cadre plus large d'une politique d'aménagement du territoire prenant en compte tous les facteurs tant physiques que socioéconomiques de la région. Abstract: The department of Gaya, in which this study was done, is located in the SW area of the Republic of Niger. It has an important hydrological potential composed of surface water (approximately 100 permanent ponds, 106 km of the Niger River) and 7 bodies of underground water sources including sub-surface and artresan wells. This study of the exploitation of wtaer in Gaya has been carried out employing several parameters based on: the estimation and spacial distribution of water ressources, the juridic and institutional rules governing their utilisation and the various constraints affecting this exploitation. The use of mapping when treating and analysing data, coupled with ten years personel field experience, resulted in a richly illustrated synthesis of this data. This, in turn, led to a better comprehension of all the factors related to problems of water utilisation in this particular region of Niger. Contrary to the generally accepted view that the lack of water ressources is a major contributing factor to the lack of development in the Sahel, in Gaya the local conditions contradict this statement. In this region, and at the local level, the proper use of water is based on the elaboration of an appropriate policy which takes into account not only the local specifics of water ressources but the various types of water utilsation as well. Local use of water and water ressources are dependant on established rules. Water policy in Niger is defined by the General Schema based on an important institutional and judicary arsenal of rules and regulations. However, after a ten-year trial period, this system was shown to have its limitations. In Gaya, neither the State nor the development agencies took into consideration local characteristics nor the socio-economic context of the region. This, in turn, resulted in putting in place infrastructures that were not adapted to local hydrogeological realities as well as inappropriate choices in land planning and development. In spite of the abundance of water ressources, access to them remains difficult for most of the rural population. The various difficulties encountered are the result of incoherent water policies on a national level as well as the lack of practical application in this area. This is due to a double judicary system where two regulatory systems co-exist:traditional laws and modern legislation. the different elements brought out by this study could serve as a basis for a better utilisation of water ressources on a larger scale in which land planning and development policies would take into consideration all the physcial as well as the socio-economical factors of this region.

Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

Accessibility, equity and the sharing of water resources

While the supply of water to dry or arid mountain regions has long been a major challenge, the on-going processes of climatic and socio-economic change currently affecting the hydrosystems of the Alps raise the spectre of renewed pressure on water resources and possible local shortages. In such a context, questions relating to fair distribution of water are all the more sensitive given the tendency to neglect the social dimension of sustainability. The present paper makes both a conceptual and empirical contribution to this debate by analysing a system of distribution that has a long experience of water scarcity management: the community governance models traditionally linked to the irrigation channels, or bisses, typical of the Swiss Alpine canton of Valais. More specifically, we evaluate these models in terms of accessibility and equity, characteristics that we use to operationalize the notion of 'fair distribution'. We examine these dimensions in three case studies with a view to highlighting the limitations of the aforementioned models. Indeed, despite their cooperative and endogenous nature, they tend to not only exclude certain members of the population, but also to reproduce rather than reduce social inequalities within the community. In general, these results challenge the rosy picture generally found in the literature relating to these community governance models.

How institutions shaped the last major evolutionary transition to large-scale human societies.

What drove the transition from small-scale human societies centred on kinship and personal exchange, to large-scale societies comprising cooperation and division of labour among untold numbers of unrelated individuals? We propose that the unique human capacity to negotiate institutional rules that coordinate social actions was a key driver of this transition. By creating institutions, humans have been able to move from the default 'Hobbesian' rules of the 'game of life', determined by physical/environmental constraints, into self-created rules of social organization where cooperation can be individually advantageous even in large groups of unrelated individuals. Examples include rules of food sharing in hunter-gatherers, rules for the usage of irrigation systems in agriculturalists, property rights and systems for sharing reputation between mediaeval traders. Successful institutions create rules of interaction that are self-enforcing, providing direct benefits both to individuals that follow them, and to individuals that sanction rule breakers. Forming institutions requires shared intentionality, language and other cognitive abilities largely absent in other primates. We explain how cooperative breeding likely selected for these abilities early in the Homo lineage. This allowed anatomically modern humans to create institutions that transformed the self-reliance of our primate ancestors into the division of labour of large-scale human social organization.