Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Evolutionary forces affect multigenomic arbuscular mycorhizal fungi : an experimental approach using Glomus intraradices

Abstract Arbuscular Mycorhizal Fungi (AMF) are important plant symbionts that can improve floristic diversity and ecosystem productivity. These important fungi are obligate biotrophs and form symbioses with roots of the majority of plant species, improving plant nutrient acquisition in exchange of photosynthates. AM fungi are successful both ecologically as they occupy a very large spectrum of environments as well as host range and evolutionarily, as this symbiosis is over 400 million years old. These fungi grow and reproduce clonally by hyphae and multinucleate spores. AMF are coenocytic and recent work has shown that they harbor genetically different nuclei and that AMF populations are genetically diverse. How AMF species diversity is maintained has been addressed theoretically and experimentally at the community level. Much less attention has been drawn to understand how genetic diversity is maintained within populations although closely related individuals are more likely to compete for the same resources and occupy similar niches. How infra-individual genetic diversity is shaped and maintained has received even less attention. In Chapter 2, we show that individuals from a field population may differ in their symbiotic efficiency under reduced phosphate availability: We show there is genetic variation in an AMF field population for fitness-related growth traits in response to different phosphate availability acid host species. Furthermore, AFLP fingerprints of the same individuals growing in contrasting environments diverged suggesting that the composition in nuclei of AMF is dynamical and affected by environmental factors. Thus environmental heterogeneity is likely to play an important role for the maintenance of genetic diversity at the population level. In Chapter 3 we show that single spores do not inherit necessarily the same genetic material. We have found genetic divergences using two different types of molecular marker, as well as phenotypic divergences among single spore lines. Our results stress the importance of considering these organisms as a multilevel hierarchical system and of better knowing their life cycle. They have important consequences for the understanding of AMF genetics, ecology and the development of commercial AMF inocculum. Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) sont d'importants symbiontes pour les plantes, car ils augmentent la diversité et la productivité des écosystèmes. Ces importants symbiontes sont des biotrophes obligatoires et forment une symbiose avec la plupart des plantes terrestres. Ils améliorent l'acquisition de substances nutritives de leurs hôtes en échange de sucres obtenus par photosynthèse. Ces champignons ont un grand succès écologique, ils colonisent une grande rangée d'environnements ainsi que d'hôtes. Ils ont aussi un succès évolutif certain de part le fait que cette symbiose existe depuis plus de 400 millions d'années. Les CEA sont asexués et croissent clonalement en formant des hyphes et des spores multinuclées. Les CEA sont des coenocytes et des travaux de recherche récents ont montré qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents. D'autres travaux ont aussi révélé que les populations de CEA sont génétiquement diversifiées. Comment la diversité des CEA est maintenue a seulement été adressée par des études théoriques et expérimentalement au niveau des communautés. Très peu d'attention a été portée sur le maintien de la diversité génétique infra et inter populationnelle, or ce sont les individus les plus proches génétiquement qui vont entrer en compétition pour des ressources et niches similaires. La formation et le maintien de la diversité intra-individu des CEA a reçu très peu d'attention. Dans le chapitre 2, nous montrons que des individus CEA d'un même champ différent dans leur efficacité symbiotique lorsque la concentration en phosphoré est réduite. Nous montrons qu'il existe de la variance génétique dans une population de CEA provenant d'un même champ en réponse à différentes concentrations de phosphore, ainsi qu'en réponse à différentes espèces d'hôtes, et ceci pour des traits de croissance vraisemblablement liés au succès reproducteur. De plus grâce à des AFLP nous avons pu montrer que le génome de ces individus subissent des changements lorsqu'ils croissent dans des environnements contrastés. Ceci suggère que les noyaux génétiquement différents des CEA sont des entités dynamiques. Il est fort probable que l'hétérogénéité environnementale joue un rôle dans le maintien de la diversité génétique des populations de CEA. Dans le chapitre 3, nous montrons que toutes les spores d'un même mycélium parental de CEA ne reçoivent pas exactement le même contenu génétique. Nous avons mis en évidence des divergences entre des Lignées monosporales en utilisant deux types de marqueur moléculaires, ainsi que des différences phénotypiques. Nos résutats soulignent l'importance de considézer ces organismes comme dés systëmes hiérarchiques mufti-niveaux, ainsi que de mieux connaître leur cycle de vie. Nos résultats ont d'importantes conséquences pour la compréhension du système génétique des CEA, ainsi que de leur évolution, leur écológie, mais également des conséquences pour la production d' inoccultim commercial.

Unfolding nature "in silico" : overcoming practical and metodological limitations of species distribution models

Abstract : The existence of a causal relationship between the spatial distribution of living organisms and their environment, in particular climate, has been long recognized and is the central principle of biogeography. In turn, this recognition has led scientists to the idea of using the climatic, topographic, edaphic and biotic characteristics of the environment to predict its potential suitability for a given species or biological community. In this thesis, my objective is to contribute to the development of methodological improvements in the field of species distribution modeling. More precisely, the objectives are to propose solutions to overcome limitations of species distribution models when applied to conservation biology issues, or when .used as an assessment tool of the potential impacts of global change. The first objective of my thesis is to contribute to evidence the potential of species distribution models for conservation-related applications. I present a methodology to generate pseudo-absences in order to overcome the frequent lack of reliable absence data. I also demonstrate, both theoretically (simulation-based) and practically (field-based), how species distribution models can be successfully used to model and sample rare species. Overall, the results of this first part of the thesis demonstrate the strong potential of species distribution models as a tool for practical applications in conservation biology. The second objective this thesis is to contribute to improve .projections of potential climate change impacts on species distributions, and in particular for mountain flora. I develop and a dynamic model, MIGCLIM, that allows the implementation of dispersal limitations into classic species distribution models and present an application of this model to two virtual species. Given that accounting for dispersal limitations requires information on seed dispersal, distances, a general methodology to classify species into broad dispersal types is also developed. Finally, the M~GCLIM model is applied to a large number of species in a study area of the western Swiss Alps. Overall, the results indicate that while dispersal limitations can have an important impact on the outcome of future projections of species distributions under climate change scenarios, estimating species threat levels (e.g. species extinction rates) for a mountainous areas of limited size (i.e. regional scale) can also be successfully achieved when considering dispersal as unlimited (i.e. ignoring dispersal limitations, which is easier from a practical point of view). Finally, I present the largest fine scale assessment of potential climate change impacts on mountain vegetation that has been carried-out to date. This assessment involves vegetation from 12 study areas distributed across all major western and central European mountain ranges. The results highlight that some mountain ranges (the Pyrenees and the Austrian Alps) are expected to be more affected by climate change than others (Norway and the Scottish Highlands). The results I obtain in this study also indicate that the threat levels projected by fine scale models are less severe than those derived from coarse scale models. This result suggests that some species could persist in small refugias that are not detected by coarse scale models. Résumé : L'existence d'une relation causale entre la répartition des espèces animales et végétales et leur environnement, en particulier le climat, a été mis en évidence depuis longtemps et est un des principes centraux en biogéographie. Ce lien a naturellement conduit à l'idée d'utiliser les caractéristiques climatiques, topographiques, édaphiques et biotiques de l'environnement afin d'en prédire la qualité pour une espèce ou une communauté. Dans ce travail de thèse, mon objectif est de contribuer au développement d'améliorations méthodologiques dans le domaine de la modélisation de la distribution d'espèces dans le paysage. Plus précisément, les objectifs sont de proposer des solutions afin de surmonter certaines limitations des modèles de distribution d'espèces dans des applications pratiques de biologie de la conservation ou dans leur utilisation pour évaluer l'impact potentiel des changements climatiques sur l'environnement. Le premier objectif majeur de mon travail est de contribuer à démontrer le potentiel des modèles de distribution d'espèces pour des applications pratiques en biologie de la conservation. Je propose une méthode pour générer des pseudo-absences qui permet de surmonter le problème récurent du manque de données d'absences fiables. Je démontre aussi, de manière théorique (par simulation) et pratique (par échantillonnage de terrain), comment les modèles de distribution d'espèces peuvent être utilisés pour modéliser et améliorer l'échantillonnage des espèces rares. Ces résultats démontrent le potentiel des modèles de distribution d'espèces comme outils pour des applications de biologie de la conservation. Le deuxième objectif majeur de ce travail est de contribuer à améliorer les projections d'impacts potentiels des changements climatiques sur la flore, en particulier dans les zones de montagnes. Je développe un modèle dynamique de distribution appelé MigClim qui permet de tenir compte des limitations de dispersion dans les projections futures de distribution potentielle d'espèces, et teste son application sur deux espèces virtuelles. Vu que le fait de prendre en compte les limitations dues à la dispersion demande des données supplémentaires importantes (p.ex. la distance de dispersion des graines), ce travail propose aussi une méthode de classification simplifiée des espèces végétales dans de grands "types de disperseurs", ce qui permet ainsi de d'obtenir de bonnes approximations de distances de dispersions pour un grand nombre d'espèces. Finalement, j'applique aussi le modèle MIGCLIM à un grand nombre d'espèces de plantes dans une zone d'études des pré-Alpes vaudoises. Les résultats montrent que les limitations de dispersion peuvent avoir un impact considérable sur la distribution potentielle d'espèces prédites sous des scénarios de changements climatiques. Cependant, quand les modèles sont utilisés pour évaluer les taux d'extinction d'espèces dans des zones de montages de taille limitée (évaluation régionale), il est aussi possible d'obtenir de bonnes approximations en considérant la dispersion des espèces comme illimitée, ce qui est nettement plus simple d'un point dé vue pratique. Pour terminer je présente la plus grande évaluation à fine échelle d'impact potentiel des changements climatiques sur la flore des montagnes conduite à ce jour. Cette évaluation englobe 12 zones d'études réparties sur toutes les chaines de montages principales d'Europe occidentale et centrale. Les résultats montrent que certaines chaines de montagnes (les Pyrénées et les Alpes Autrichiennes) sont projetées comme plus sensibles aux changements climatiques que d'autres (les Alpes Scandinaves et les Highlands d'Ecosse). Les résultats obtenus montrent aussi que les modèles à échelle fine projettent des impacts de changement climatiques (p. ex. taux d'extinction d'espèces) moins sévères que les modèles à échelle large. Cela laisse supposer que les modèles a échelle fine sont capables de modéliser des micro-niches climatiques non-détectées par les modèles à échelle large.

Changing landscapes of Switzerland: assessing effects of historic and future land uses and land covers on the occurrence of selected butterfly species

Summary Landscapes are continuously changing. Natural forces of change such as heavy rainfall and fires can exert lasting influences on their physical form. However, changes related to human activities have often shaped landscapes more distinctly. In Western Europe, especially modern agricultural practices and the expanse of overbuilt land have left their marks in the landscapes since the middle of the 20th century. In the recent years men realised that mare and more changes that were formerly attributed to natural forces might indirectly be the result of their own action. Perhaps the most striking landscape change indirectly driven by human activity we can witness in these days is the large withdrawal of Alpine glaciers. Together with the landscapes also habitats of animal and plant species have undergone vast and sometimes rapid changes that have been hold responsible for the ongoing loss of biodiversity. Thereby, still little knowledge is available about probable effects of the rate of landscape change on species persistence and disappearance. Therefore, the development and speed of land use/land cover in the Swiss communes between the 1950s and 1990s were reconstructed using 10 parameters from agriculture and housing censuses, and were further correlated with changes in butterfly species occurrences. Cluster analyses were used to detect spatial patterns of change on broad spatial scales. Thereby, clusters of communes showing similar changes or transformation rates were identified for single decades and put into a temporally dynamic sequence. The obtained picture on the changes showed a prevalent replacement of non-intensive agriculture by intensive practices, a strong spreading of urban communes around city centres, and transitions towards larger farm sizes in the mountainous areas. Increasing transformation rates toward more intensive agricultural managements were especially found until the 1970s, whereas afterwards the trends were commonly negative. However, transformation rates representing the development of residential buildings showed positive courses at any time. The analyses concerning the butterfly species showed that grassland species reacted sensitively to the density of livestock in the communes. This might indicate the augmented use of dry grasslands as cattle pastures that show altered plant species compositions. Furthermore, these species also decreased in communes where farms with an agricultural area >5ha have disappeared. The species of the wetland habitats were favoured in communes with smaller fractions of agricultural areas and lower densities of large farms (>10ha) but did not show any correlation to transformation rates. It was concluded from these analyses that transformation rates might influence species disappearance to a certain extent but that states of the environmental predictors might generally outweigh the importance of the corresponding rates. Information on the current distribution of species is evident for nature conservation. Planning authorities that define priority areas for species protection or examine and authorise construction projects need to know about the spatial distribution of species. Hence, models that simulate the potential spatial distribution of species have become important decision tools. The underlying statistical analyses such as the widely used generalised linear models (GLM) often rely on binary species presence-absence data. However, often only species presence data have been colleted, especially for vagrant, rare or cryptic species such as butterflies or reptiles. Modellers have thus introduced randomly selected absence data to design distribution models. Yet, selecting false absence data might bias the model results. Therefore, we investigated several strategies to select more reliable absence data to model the distribution of butterfly species based on historical distribution data. The results showed that better models were obtained when historical data from longer time periods were considered. Furthermore, model performance was additionally increased when long-term data of species that show similar habitat requirements as the modelled species were used. This successful methodological approach was further applied to assess consequences of future landscape changes on the occurrence of butterfly species inhabiting dry grasslands or wetlands. These habitat types have been subjected to strong deterioration in the recent decades, what makes their protection a future mission. Four spatially explicit scenarios that described (i) ongoing land use changes as observed between 1985 and 1997, (ii) liberalised agricultural markets, and (iii) slightly and (iv) strongly lowered agricultural production provided probable directions of landscape change. Current species-environment relationships were derived from a statistical model and used to predict future occurrence probabilities in six major biogeographical regions in Switzerland, comprising the Jura Mountains, the Plateau, the Northern and Southern Alps, as well as the Western and Eastern Central Alps. The main results were that dry grasslands species profited from lowered agricultural production, whereas overgrowth of open areas in the liberalisation scenario might impair species occurrence. The wetland species mostly responded with decreases in their occurrence probabilities in the scenarios, due to a loss of their preferred habitat. Further analyses about factors currently influencing species occurrences confirmed anthropogenic causes such as urbanisation, abandonment of open land, and agricultural intensification. Hence, landscape planning should pay more attention to these forces in areas currently inhabited by these butterfly species to enable sustainable species persistence. In this thesis historical data were intensively used to reconstruct past developments and to make them useful for current investigations. Yet, the availability of historical data and the analyses on broader spatial scales has often limited the explanatory power of the conducted analyses. Meaningful descriptors of former habitat characteristics and abundant species distribution data are generally sparse, especially for fine scale analyses. However, this situation can be ameliorated by broadening the extent of the study site and the used grain size, as was done in this thesis by considering the whole of Switzerland with its communes. Nevertheless, current monitoring projects and data recording techniques are promising data sources that might allow more detailed analyses about effects of long-term species reactions on landscape changes in the near future. This work, however, also showed the value of historical species distribution data as for example their potential to locate still unknown species occurrences. The results might therefore contribute to further research activities that investigate current and future species distributions considering the immense richness of historical distribution data. Résumé Les paysages changent continuellement. Des farces naturelles comme des pluies violentes ou des feux peuvent avoir une influence durable sur la forme du paysage. Cependant, les changements attribués aux activités humaines ont souvent modelé les paysages plus profondément. Depuis les années 1950 surtout, les pratiques agricoles modernes ou l'expansion des surfaces d'habitat et d'infrastructure ont caractérisé le développement du paysage en Europe de l'Ouest. Ces dernières années, l'homme a commencé à réaliser que beaucoup de changements «naturels » pourraient indirectement résulter de ses propres activités. Le changement de paysage le plus apparent dont nous sommes témoins de nos jours est probablement l'immense retraite des glaciers alpins. Avec les paysages, les habitats des animaux et des plantes ont aussi été exposés à des changements vastes et quelquefois rapides, tenus pour coresponsable de la continuelle diminution de la biodiversité. Cependant, nous savons peu des effets probables de la rapidité des changements du paysage sur la persistance et la disparition des espèces. Le développement et la rapidité du changement de l'utilisation et de la couverture du sol dans les communes suisses entre les années 50 et 90 ont donc été reconstruits au moyen de 10 variables issues des recensements agricoles et résidentiels et ont été corrélés avec des changements de présence des papillons diurnes. Des analyses de groupes (Cluster analyses) ont été utilisées pour détecter des arrangements spatiaux de changements à l'échelle de la Suisse. Des communes avec des changements ou rapidités comparables ont été délimitées pour des décennies séparées et ont été placées en séquence temporelle, en rendrent une certaine dynamique du changement. Les résultats ont montré un remplacement répandu d'une agriculture extensive des pratiques intensives, une forte expansion des faubourgs urbains autour des grandes cités et des transitions vers de plus grandes surfaces d'exploitation dans les Alpes. Dans le cas des exploitations agricoles, des taux de changement croissants ont été observés jusqu'aux années 70, alors que la tendance a généralement été inversée dans les années suivantes. Par contre, la vitesse de construction des nouvelles maisons a montré des courbes positives pendant les 50 années. Les analyses sur la réaction des papillons diurnes ont montré que les espèces des prairies sèches supportaient une grande densité de bétail. Il est possible que dans ces communes beaucoup des prairies sèches aient été fertilisées et utilisées comme pâturages, qui ont une autre composition floristique. De plus, les espèces ont diminué dans les communes caractérisées par une rapide perte des fermes avec une surface cultivable supérieure à 5 ha. Les espèces des marais ont été favorisées dans des communes avec peu de surface cultivable et peu de grandes fermes, mais n'ont pas réagi aux taux de changement. Il en a donc été conclu que la rapidité des changements pourrait expliquer les disparitions d'espèces dans certains cas, mais que les variables prédictives qui expriment des états pourraient être des descripteurs plus importants. Des informations sur la distribution récente des espèces sont importantes par rapport aux mesures pour la conservation de la nature. Pour des autorités occupées à définir des zones de protection prioritaires ou à autoriser des projets de construction, ces informations sont indispensables. Les modèles de distribution spatiale d'espèces sont donc devenus des moyens de décision importants. Les méthodes statistiques courantes comme les modèles linéaires généralisés (GLM) demandent des données de présence et d'absence des espèces. Cependant, souvent seules les données de présence sont disponibles, surtout pour les animaux migrants, rares ou cryptiques comme des papillons ou des reptiles. C'est pourquoi certains modélisateurs ont choisi des absences au hasard, avec le risque d'influencer le résultat en choisissant des fausses absences. Nous avons établi plusieurs stratégies, basées sur des données de distribution historique des papillons diurnes, pour sélectionner des absences plus fiables. Les résultats ont démontré que de meilleurs modèles pouvaient être obtenus lorsque les données proviennent des périodes de temps plus longues. En plus, la performance des modèles a pu être augmentée en considérant des données de distribution à long terme d'espèces qui occupent des habitats similaires à ceux de l'espèce cible. Vu le succès de cette stratégie, elle a été utilisée pour évaluer les effets potentiels des changements de paysage futurs sur la distribution des papillons des prairies sèches et marais, deux habitats qui ont souffert de graves détériorations. Quatre scénarios spatialement explicites, décrivant (i) l'extrapolation des changements de l'utilisation de sol tels qu'observés entre 1985 et 1997, (ii) la libéralisation des marchés agricoles, et une production agricole (iii) légèrement amoindrie et (iv) fortement diminuée, ont été utilisés pour générer des directions de changement probables. Les relations actuelles entre la distribution des espèces et l'environnement ont été déterminées par le biais des modèles statistiques et ont été utilisées pour calculer des probabilités de présence selon les scénarios dans six régions biogéographiques majeures de la Suisse, comportant le Jura, le Plateau, les Alpes du Nord, du Sud, centrales orientales et centrales occidentales. Les résultats principaux ont montré que les espèces des prairies sèches pourraient profiter d'une diminution de la production agricole, mais qu'elles pourraient aussi disparaître à cause de l'embroussaillement des terres ouvertes dû à la libéralisation des marchés agricoles. La probabilité de présence des espèces de marais a décrû à cause d'une perte générale des habitats favorables. De plus, les analyses ont confirmé que des causes humaines comme l'urbanisation, l'abandon des terres ouvertes et l'intensification de l'agriculture affectent actuellement ces espèces. Ainsi ces forces devraient être mieux prises en compte lors de planifications paysagères, pour que ces papillons diurnes puissent survivre dans leurs habitats actuels. Dans ce travail de thèse, des données historiques ont été intensivement utilisées pour reconstruire des développements anciens et pour les rendre utiles à des recherches contemporaines. Cependant, la disponibilité des données historiques et les analyses à grande échelle ont souvent limité le pouvoir explicatif des analyses. Des descripteurs pertinents pour caractériser les habitats anciens et des données suffisantes sur la distribution des espèces sont généralement rares, spécialement pour des analyses à des échelles fores. Cette situation peut être améliorée en augmentant l'étendue du site d'étude et la résolution, comme il a été fait dans cette thèse en considérant toute la Suisse avec ses communes. Cependant, les récents projets de surveillance et les techniques de collecte de données sont des sources prometteuses, qui pourraient permettre des analyses plus détaillés sur les réactions à long terme des espèces aux changements de paysage dans le futur. Ce travail a aussi montré la valeur des anciennes données de distribution, par exemple leur potentiel pour aider à localiser des' présences d'espèces encore inconnues. Les résultats peuvent contribuer à des activités de recherche à venir, qui étudieraient les distributions récentes ou futures d'espèces en considérant l'immense richesse des données de distribution historiques.

Characterization of PHO1 and PHO1;H1 gene function in Arabidopsis thaliana

Summary Phosphorus is one of the major macronutrients required for plant growth and development. Plant roots acquire phosphorus as inorganic phosphate (Pi), which is further distributed to the shoot, via the transpiration stream and root pressure, where Pi is imported again into cells. PHO1 in Arabidopsis has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the root xylem. PHO1 does not have any homology to described Pi transporters including the Pht1 family of H+/ Pi cotransporters. PHO1 bears two domains, SPX and EXS domains, previously identified in Saccharomyces cerevisiae proteins involved in Pi transport and/or sensing, or in sorting proteins to endomembranes. Phylogenetic analysis of the PHO1 gene family revealed the presence of three clusters, with PHO1 and PHO1;H1 forming one cluster. The biological significance behind this cluster was demonstrated by the complementation of the pho1 mutant with only PHO1 and PHO1;H1, of all the PHO1 family members, when expressed under the PHO1 promoter. PHO1 has been shown to be expressed mostly in the root vascular cylinder and at low level in the shoot. PHO1;H1 had a different expression pattern, being expressed in both root and shoot vascular cylinder to the same level, with the levels in leaves increasing with the leaf maturity, suggesting additional role of PHO1;H1 in the Pi mobilization in leaves. In order to further explore the role of PHO1, Pi dynamics was studied on plants expressing PHO1 at different levels compared to the wild type: PHO1 overexpressors, PHO1 underexpressors and the pho1 mutant. Overexpression of the PHO1 protein in the shoot vascular tissue was shown to lead to increased Pi efflux out of the leaf cells and Pi accumulation in the shoot xylem apoplast compared to wild type, confirming the hypothesized role of PHO1 in xylem loading with Pi. The overexpression of PHO1 in the shoot was responsible far both changed Pi dynamic and stunted growth of PHO1 overexpressors, as shown by grafting experiments between wild type and PHO1 overexpressor. We found a ca. 2 fold decrease of shoot phosphorus and a 5-10 fold decrease in vacuolar Pi content in the PHO1 underexpressors and the pho1 null mutant compared to wild type, consistent with the role of PHO1 in the transfer of Pi from the root to the shoot. Shoot Pi deficiency results in a poor growth of the pho1 mutant. Grafting experiments between pho1 and wild type confirmed that both Pi deficiency and stunt growth of the pho1 mutant were dependent on the pho1 root, further supporting the importance of PHO1 in the root xylem loading with Pi. The pho1 mutant and the PHO1 underexpressors accumulated 8-15 fold more Pi in the root relative to wild type. In contrast to the pho1 mutant, the growth of PHO1 underexpressors was not impaired by the low shoat Pi content. This finding suggests that either PHO1 protein or root Pi concentration is important in Pi signaling and development of Pi deficiency symptoms leading to reduced growth. Résumé Le phosphore est l'un des nutriments essentiels à la croissance et au développement des plantes. Les racines absorbent le phosphore sous forme de phosphate inorganique (Pi) qui est dirigé, par la transpiration et la pression de la racine, vers les feuilles où le phosphate est acquis par les cellules. La protéine PHO1 a été démontrée indispensable au chargement du Pi dans le xylème des racines d'Arabidopsis. PHO1 ne démontre pas d'homologie aux transporteurs de Pi connus, incluant la famille Pht1 de cotransporteurs H+/Pi qui ont comme fonction le transport du phosphate à l'intérieur de la cellule. PHO1 contient deux domaines, SPX et EXS, aussi présents dans des protéines de Saccharomyces cerevisiae impliquées dans le transport ou la perception du phosphate, ou dans la localisation des protéines vers différentes membranes. Le génome d'Arabidopsis contient onze gènes homologues à PHO1. Neuf de ces homologues sont répartis en trois groupes. PHO1 et PHO1;H1 forment un de ces groupes. Nos travaux ont démontré que seuls PHO1;H1 et PHO1, sous contrôle du promoteur PHO1, peuvent complémenter le mutant pho1. PHO1 est exprimé principalement dans le cylindre vasculaire de la racine et faiblement dans la partie aérienne. Le degré d'expression de PHO1;H1 est similaire dans le cylindre vasculaire de la racine et des feuilles. Ceci suggère que PHO1;H1 est aussi impliqué dans la mobilisation du Pi dans les feuilles, en plus de son rôle dans le transfert du Pi dans le xylème des racines. Afin de mieux explorer le rôle de PHO1, la dynamique du phosphate a été observée dans trois lignées de plantes transgéniques: un sur-expresseur de PHO1, un sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1. La sur-expression de PHO1 dans le tissue vasculaire des feuilles a provoqué l'efflux du Pi vers l'espace apoplastic du xylème, ce qui confirme le rôle de PHO1 dans le chargement du Pi dans le xylème. La sur-expressìon de PHO1 dans la rosette est responsable d'un changement de la dynamique du Pi et de la diminution de la croissance, ce qui fut démontré par une expérience de greffe de la rosette du sur-expresseur de PHO1 sur les racines du sauvage. On a observé pour le sous-expresseur de PHO1 et le mutant pho1 une diminution du phosphore d'environ 2 fais au niveau des feuilles, et une diminution de 5-10 fois du Pi dans les vacuoles des feuilles, par rapport au sauvage. Ceci confirme le rôle proposé de PHO1 dans le transfert du Pi des racines aux feuilles. La carence de Pi chez pho1 implique une diminution de la taille de la rosette. Pour expliquer ce phénotype une autre expérience de greffe démontra que la cause de ce changement provenait des racines. Ceci renforce l'hypothèse de l'importance du rôle de PHO1 dans le xylème de la racine pour le chargement du Pi. Le mutant phot et le sous-expresseur de PHO1 accumulent 8-15 fois plus de Pi dans leurs racines comparé au sauvage. Cependant, contrairement au phot mutant, le sous-expresseur de PHO1 avait une croissance comparable au sauvage malgré le niveau bas du Pi dans les feuilles. Ceci suggère que la taille de la rosette lors d'une carence en Pi chez Arabidopsis serait la conséquence d'un changement de concentration de Pi dans les racines ou d'une influence de la protéine PHO1.

PH01 gene family in Arabidopsis thaliana and Physcomitrella patens

Summary Inorganic phosphate (Pi) is a main limiting nutrient to the growth and production yield of plants in many agro-ecosystems. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to cope with low Pi availability. PH01 has been identified as a protein involved in the loading of Pi into the xylem of roots in Arabidopsis. In this study, the PHO1 gene family in both higher plant Arabidopsis and lower plant Physcomitrella was characterized. Additional ten PHO1 homologues in Arabidopsis and three homologues in Physcomitrella were identified. All proteins harbor a SPX tripartite domain in the N-terminal hydrophilic portion and an EXS domain in the highly conserved C-terminal hydrophobic portion. RT-PCR analysis of the Arabidopsis PHO1 genes revealed a broad pattern of expression in leaves, roots, stems, and flowers for most genes, although two genes are expressed exclusively in flowers, indicating their potential roles not only in Pi transport but also in Pi homeostasis within the Arabidopsis plant. The regulation of gene expression by different nutrient-starvations showed that some genes are strongly up-regulated by elements other than Pi, e.g. by NO3, Mg, and Zn starvation. Northern blot and RT-PCR analysis showed distinct expression patterns of the three Physcomitrella PHO1 genes. The investigation of Pi starvation effects on some Pi-deprivation responsive genes demonstrates that Physcomitrella has evolved a similar mechanism as higher plants to respond to Pi deficiency. Promoter activity analysis for the Physcomitrella PHO1 family genes using promoter-GUS fusions revealed their expression in protonemata and gametophores but at different levels and with different patterns, suggesting these genes may play distinct roles in Pi transport and/or Pi homeostasis in the moss plant. Single knockout mutants of the three genes were generated by gene targeting and one of them displayed a reduced Pi content in the protonemata under Pi starvation. The evolution of the PHO1 family in land plants was also discussed. Together, these findings indicate that the PHO1 family genes, present in a broad range of plant species from lower plants to flowering plants, play important roles in Pi transport and homeostasis. Résumé Le phosphate inorganique (Pi) est un nutriment essentiel à la croissance des plantes et au rendement de la production végétale. Dans beaucoup d'agro-écosystèmes, ce nutriment est limitant. Les plantes ont développé des adaptations métaboliques et développementales pour palier à la faible disponibilité du Pi. Il a été démontré que la protéine PHOI est indispensable au transfert du Pi dans le xylème des racines d' Arabidopsis. Cette étude porte sur la famille de gènes définie par PHO1 ; ceci, dans deux organismes modèles : la plante Arabidopsis pour les végétaux supérieurs, et la mousse Physcomitrella pour les végétaux inférieurs. Dix homologues à PHOI dans Arabidopsis et trois homologues dans Physcomitrella ont été identifiés. Toutes les protéines encodées présentent un domaine tripartite SPX dans leur partie N terminale hydrophile et un domaine EXS dans la partie C terminale hydrophobe hautement conservée d'entre eux. L'analyse par RT-PCR de l'expression des gènes PHO1 dans Arabidopsis révèle une expression ectopique pour la plupart, à l'exception de deux gènes dont l'expression est uniquement florale ; ceci suggère l'implication de cette famille non seulement dans le transport mais aussi dans l'homéostasie du Pi dans Arabidopsis. L'observation de l'expression de ces gènes en fonction de l'absence de différents nutriments montre que certains gènes sont fortement régulés lors de carences en NO3, Mg et Zn. L'analyse par northern blot et RT-PCR met en évidence des profils d'expression distincts pour les trois gènes de Physcomitrella. Les effets de la carence en Pi sur Physcomitrella ont été étudiés par le biais de gènes dépendants connus pour Arabidopsis, les résultats suggèrent un mode de réponse à cette carence conservé entre les végétaux inférieurs et supérieurs. La localisation tissulaire de l'expression de la famille PHO1 dans la mousse a été étudiée au moyen du gène rapporteur GUS fusionné aux différents promoteurs. Ceci a révélé leur expression dans les protonemata et les gametophores, mais à des intensités et avec des profils différents, ce qui suggère des implications distinctes dans le transport et/ou l'homéostasie du Pi dans la mousse. Des simples mutants knockout ont été générés pour chaque gène de mousse ; l'un d'eux présente une diminution du contenu protonemal en Pi lorsque soumis à une carence en Pi. L'évolution de la famille PHO1 dans les plantes terrestres est également discutée. Ensemble, ces résultats indiquent que les gènes de la famille PHO1 sont présents dans une large gamme de plantes allant des végétaux inférieurs aux supérieurs, et cette étude démontre que leur conservation se justifie potentiellement par le fait qu'ils sont probablement impliqués dans des mécanismes conservés de transport et d'homéostasie du Pi.

Essais en plein champ avec du blé génétiquement modifié résistant à l'oïdium

Les bénéfices et les risques environnementaux du blé de printemps génétiquement modifié (GM), plus résistant à l'oïdium, ont été étudiés sur deux sites en plein champ de 2008 à 2010, dans le cadre d'un réseau de groupes de recherche suisses. Les lignées de blé GM, possédant une résistance spécifique à l'oïdium et aux maladies fongiques en général, ont été comparées à des variétés de blé commercialisées, à des lignées témoins ainsi qu'à de l'orge et du triticale. Outre la résistance à l'oïdium, l'étude a également porté sur les répercussions sur les insectes et les organismes du sol (bactéries, champignons mycorhiziens, faune du sol) ainsi que sur les croisements fortuits du blé. Plusieurs lignées de blé GM étaient nettement plus résistantes à l'oïdium que les témoins. Aucun impact significatif sur les organismes non-cibles n'a été constaté, sur leur biodiversité ou sur certaines fonctions sélectionnées des écosystèmes. Dans l'ensemble, les différences entre le blé GM et les lignées témoins étaient moindres qu'entre les variétés de blé commerciales ou les autres espèces de céréales. Les cas de croisement fortuits étaient rares et n'ont été trouvés qu'à faible distance des plantes GM de l'essai.

TRANSCRIPTION FACTORS INVOLVED IN PLANT DEFENCE AGAINST INSECT HERBIVORES IN ARABIDOPSIS THALIANA

Afin de pouvoir se défendre contre les insectes nuisibles, les plantes ont développé plusieurs stratégies leur permettant de maximiser leurs chances de survie et de reproduction. Parmi elles, les plantes sont souvent pourvues de barrières physiques telles que les poils urticants, les épines et la cuticule. En plus, les plantes sont capables de produire des protéines anti-digestives et des métabolites secondaires insecticides tels que la nicotine, les tannins ou les glucosinolates (GS). La mise en place de ces barrières physiques et chimiques comporte un coût énergétique au détriment de la croissance et de la reproduction. Par conséquent, en absence d'insectes, la plante investit la majeure partie de son énergie dans le développement et la croissance. A l'inverse, une blessure causée par un insecte provoquera une croissance ralentie, une augmentation de la densité de poils urticants ainsi que la synthèse de défenses chimiques. Au niveau moléculaire, cette défense inductible est régulée par l'hormone végétale acide jamsonique (AJ). En réponse à l'attaque d'un insecte, la plante produit cette hormone en grande quantité, ce qui se traduira par une forte expression de gènes de défense. Pendant ma thèse, j'ai essayé de découvrir quels étaient les facteurs de transcription (FT) responsables de l'expression des gènes de défense dans Arabidopsis thaliana. J'ai ainsi pu démontrer que des plantes mutées dans les FTs comme MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF13 et RRTF1 deviennent plus sensibles aux insects de l'espèce Spodoptera littoralis. Par la suite, j'ai également pu montrer que MYC2, MYC3 et MYC4 sont probablement la cible principale de la voie de signalisation du AJ et qu'ils sont nécessaires pour l'expression de la majorité des gènes de défense dont la plupart sont essentiels à la biosynthèse des GS. Une plante mutée simultanément dans ces trois protéines est par conséquent incapable de synthétiser des GS et devient hypersensible aux insectes. J'ai également pu démontrer que les GS sont uniquement efficaces contre les insectes généralistes tels S. littoralis et Heliothis virescens alors que les insectes spécialisés sur les Brassicaceae comme Pieris brassicae et Plutella xylostella se sont adaptés en développant des mécanismes de détoxification. - In response to herbivore insects, plants have evolved several defence strategies to maximize their survival and reproduction. For example, plants are often endowed with trichomes, spines and a thick cuticule. In addition, plants can produce anti-digestive proteins and toxic secondary metabolites like nicotine, tannins and glucosinolates (GS). These physical and chemical barriers have an energetic cost to the detriment of growth and reproduction. As a consequence, in absence of insects, plants allocate their energy to development and growth. On the contrary, an attack by herbivore insects will affect plant growth, increase trichome density and induce the production of anti-digestive proteins and secondary metabolites. At the molecular level, this inducible defence is regulated by the phytohormone jasmonic acid (JA). Thus, an attack by herbivores will be followed by a burst of JA that will induce the expression of defence genes. The aim of my thesis was to characterize which transcription factors (TF) regulate the expression of these defence genes in Arabidopsis thaliana. I could show that plants mutated in various TFs like MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF 13 and RRTFl were more susceptible to the herbivore Spodoptera littoralis. Furthermore, I could demonstrate that MYC2, MYC3 and MYC4 are probably the main target of the JA-signalling pathway and that they are necessary for the insect-mediated induction of most defence genes including genes involved in the biosynthesis of GS. A triple mutant myc2myc3myc4 is depleted of GS and consequently hypersensitive to insects. Moreover, I showed that GS are only efficient against generalist herbivores like S. littoralis and Heliothis virescens whereas specialized insects like Pieris brassicae and Plutella xylostella have evolved detoxification mechanisms against GS.

Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

Molecular genetic approaches to the biology of the moss "Physcomitrella patens"

La mousse haplobiontique Physcomitrella patens est utilisée comme système génétique modèle pour l'étude du développement des plantes. Cependant, l'absence d'un protocole efficace de transformation a constitué jusqu'à présent un gros désavantage méthodologique pour le développement futur de ce système expérimental. Les résultats présentés dans le premier chapitre relatent la mise au point d'un protocole de transformation basé sur la technique de transfert direct de gènes dans des protoplastes par précipitation au PEG. Un essai d'expression transitoire de gènes a été mis au point. Ce protocole a été adapté afin de permettre l'introduction in vivo d'anticorps dans des protoplastes. Le protocole modifié permet d'introduire simultanément du DNA et des IgG dans les cellules, et nous avons démontré que ces anticorps peuvent inactiver spécifiquement le produit d'un gène co-introduit (GUS), ainsi que certaines protéines impliquées dans des processus cellulaires (tubuline). Cet essai, baptisé "essai transitoire d'immuno-inactivation in vivo", devrait être directement applicable à d'autres protoplastes végétaux, et permettre l'élaboration de nouvelles stratégies dans l'étude de processus cellulaires. Le second chapitre est consacré aux expériences de transformation de la mousse avec des gènes conférant une résistance à des antibiotiques. Nos résultats démontrent que l'intégration de gènes de résistance dans le génome de P. patens est possible, mais que cet événement est rare. Il s'agit là néanmoins de la première démonstration d'une transformation génétique réussie de cet organisme. L'introduction de gènes de résistance aux antibiotiques dans les protoplastes de P. patens génère à haute fréquence des clones résistants instables. Deux classes de clones instables ont été identifiés. La caractérisation phénotypique, génétique et moléculaire de ces clones suggère fortement que les séquences transformantes sont concaténées pour former des structures de haut poids moléculaire, et que ces structures sont efficacement répliquées et maintenues dans les cellules résistantes en tant qu'éléments génétiques extrachromosomaux. Ce type de transformation nous permet d'envisager des expériences permettant l'identification des séquences génomiques impliquées dans la replication de l'ADN de mousse. Plusieurs lignées transgéniques ont été retransformées avec des plasmides portant des séquences homologues aux séquences intégrées dans le génome, mais conférant une résistance à un autre antibiotique. Les résultats présentés dans le troisième chapitre montrent que les fréquences de transformation intégrative dans les lignées transgéniques sont 10 fois plus élevées que dans la lignée sauvage, et que cette augmentation est associée à une coségrégation des gènes de résistance dans la plupart des clones testés. Ces résultats génétiques indiquent que l'intégration de séquences d'ADN étranger dans le génome de P. patens a lieu en moyenne 10 fois plus fréquemment par recombinaison homologue que par intégration aléatoire. Ce rapport homologue/aléatoire est 10000 fois supérieur aux rapports obtenus avec d'autres plantes, et fournit l'outil indispensable à la réalisation d'expériences de génétique inverse dans cet organisme à haplophase dominante. THESIS SUMMARY The moss Physcomitrella patens is used as a model genetic system to study plant development, taking advantage of the fact that the haploid gametophyte dominates in its life cycle. But further development of this model system was hampered by the lack of a protocol allowing the genetic transformation of this plant. We have developed a transformation protocol based on PEG-mediated direct gene transfer to protoplasts. Our data demonstrate that this procedure leads to the establishment of an efficient transient gene expression assay. A slightly modified protocol has been developed allowing the in vivo introduction of antibodies in moss protoplasts. Both DNA and IgGs can be loaded simultaneously, and specific antibodies can immunodeplete the product of an expression cassette (GUS) as well as proteins involved in cellular processes (tubulins). This assay, named transient in vivo immunodepletion assay, should be applicable to other plant protoplasts, and offers new approaches to study cellular processes. Transformations have been performed with bacterial plasmids carrying antibiotic resistance expression cassette. Our data demonstrate that integrative transformation occurs, but at low frequencies. This is the first demonstration of a successful genetic transformation of mosses. Resistant unstable colonies are recovered at high frequencies following transformation, and two different classes of unstable clones have been identified. Phenotypical, genetic and molecular characterisation of these clones strongly suggests that bacterial plasmids are concatenated to form high molecular arrays which are efficiently replicated and maintained as extrachromosomal elements in the resistant cells. Replicative transformation in P. patens should allow the design of experiments aimed at the identification of genomic sequences involved in moss DNA replication. Transgenic strains have been retransformed with bacterial plasmids carrying sequences homologous to the integrated transloci, but conferring resistance to another antibiotic. Our results demonstrate an order of magnitude increase of integrative transformation frequencies in transgenic strains as compared to wild-type, associated with cosegregation of the resistance genes in most of these double resistant transgenic strains. These observations provide strong genetic evidence that gene targeting occurs about ten times more often than random integration in the genome of P. patens. Such ratio of targeted to random integration is about 10 000 times higher than previous reports of gene targeting in plants, and provides the essential requirement for the development of efficient reverse genetics in the haplodiplobiontic P. patens.

Population differentiation and its consequences in the white campion "Silene latifolia" (Caryophyllaceae): a functional analysis

Summary In his theory On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859), Darwin describes evolution as a gradual change in population over time and that natural selection is a process that caused evolution. Because quantitative variation in species is partly influenced by several genes and thus heritable, association between levels of genetic variation at neutral markers and at quantitative traits and their partitioning within and among populations are important to study mechanisms that drive evolution in populations. Most studies addressing quantitative variation in plants focused on morphological and life history traits but not in traits affecting reproductive success. The aim of this thesis is to better understand how patterns of variation for neutral molecular markers and phenotypic traits drive the evolution of reproduction and defensive mechanisms in six European populations of Silene latifolia, a dioecious plant species. We found evidence for extremely high within and between population variation at six microsatellite loci and at most quantitative traits studied in plants grown under standardized conditions (morphology, life history and reproductive traits). Interestingly, there was clinal variation between age at first flowering and latitude. This pattern is likely due to natural selection since differentiation of this trait was high, heritable and probably higher than differentiation at neutral markers. Our study focused on sex specific selective pressures: mechanisms of intersexual coadaptation and defence mechanism against the seed predator Hadena bicruris. To address divergence at reproductive traits, we studied male and female population of origin effects and in particular pollen competitive ability on male post-pollination success in the study populations with within and between populations crosses. We crossed the same female plant with pollen from a male within the same population of origin and pollen from two males from two distinct populations, using a fixed tester male as a competitor. Additionally, we conducted control crosses with pollen from each male as a single donor. We analysed paternity success of each competitor with two microsatellite loci, seed set and offspring fitness. Male population of origin showed significant among-population variation for siring success at pollen competition. In vitro pollen germination rate showed heritable variation among populations and was positively correlated to siring success. Local or foreign pollen did not have a consistent advantage. Furthermore, female population of origin affected the outcome of pollen competition in some populations. There was no difference of seed set or offspring fitness in within/ between population crosses. This suggests that reproductive divergence may occur via pollen competition in Silene latifolia. The specialist seed predator Hadena bicruris may also induce divergence between populations. We tested potential constitutive and induced defence mechanisms against the specialist predator Hadena bicruris. Because fruit wall thickness is smaller in the invasive range (Northern America) were the moth is absent, this suggests that a thicker fruit wall is a potentially defensive trait against larval attack, and that relaxed selection in the absence of the seed predator has resulted in an evolutionary loss of this defence in the invasive range. Fruit wall thickness was different among three populations. Experimental exposure to moth eggs increased fruit abortion. Fruits built after attack on exposed plants did not have thicker fruit walls compared to fruits on non-exposed plants. Furthermore, fruits with thicker fruit walls were not less profitable, nor did they require longer handling time when exposed to larvae, suggesting no defensive role of fruit wall thickness. Our results show that there is high molecular and phenotypic variation in Silene latifolia and that traits potentially involved in reproductive success both for intra-specific (between sexes) and inter-specific interactions are heritable. Different selective forces may thus interact and cause differential evolution of geographically separated Silene latifolia populations in Europe, leading to the observed differentiation. Résumé Dans sa théorie de l'évolution, L'origine des espèces, ch. 4 (1859), Darwin décrit l'évolution comme un processus continu au cours du temps à l'intérieur de populations et que la sélection naturelle en est le moteur. La variation quantitative est en partie déterminée par plusieurs gènes, donc transmissible à la descendance. Associer le niveau de variation génétique à des marqueurs neutres au niveau de la variation à des traits quantitatifs, ainsi que la répartition à l'intérieur et entre les populations d'une espèce donnée de cette variation, sont importants dans la compréhension des forces évolutives. La plupart des études scientifiques sur la variation quantitative chez les plantes se sont intéressées à la morphologie et à la phénologie mais pas aux caractères impliqués dans le succès reproducteur. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment la répartition de la variation à des marqueurs neutres et des caractères quantitatifs influence l'évolution de la reproduction et des mécanismes de défense dans six populations Européennes de l'espèce dioïque Silene latifolia. Nous avons mis en évidence une grande diversité intra et inter-population à six loci microsatellites ainsi qu'à la plupart des caractères quantitatifs mesurés (morphologie, phénologie et traits reproducteurs) sur des plantes cultivées dans des conditions standardisées. Un résultat intéressant est la présence d'un cline latitudinal pour l'âge à la floraison. Ceci est probablement une conséquence de la sélection naturelle, puisque ce caractère est différencié entre les populations étudiées, héritable et que la différenciation de ce trait est supérieure à la différenciation des marqueurs neutres étudiés. Notre étude a ensuite porté plus précisément sur les pressions de sélection spécifiques aux sexes : la coadaptation entre les sexes et les mécanismes de défense contre l'insecte granivore Hadena bicruris. Afin d'évaluer la divergence sur les traits reproducteurs, nous avons étudié les effets des populations d'origine des mâles et des femelles et en particulier le succès reproducteur des mâles après pollinisation à l'aide de croisements inter et intra-population. Nous avons pollinisé la même femelle avec du pollen provenant d'un mâle de la même population ainsi qu'avec le pollen de deux mâles provenant de deux autres populations en situation de compétition avec un pollen provenant d'une population test. Des croisements contrôle ont été réalisés avec les mêmes mâles en pollinisation pure. Nous avons évalué le succès reproducteur de chaque mâle à l'aide d'analyses de paternité ainsi que la production de graines et la fitness de la descendance. L'origine du mâle avait un effet sur la paternité. Le taux de croissance in vitro du pollen est un caractère héritable et a eu un effet positif sur le succès reproducteur. De plus, l'origine de la femelle avait un effet sur le succès des mâles en compétition dans certaines populations. Nos résultats suggèrent qu'une divergence reproductive chez Silene latifolia pourrait apparaître suite à la compétition pollinique. Nous avons ensuite testé des mécanismes potentiels de défense constitutive et induite contre l'herbivore spécialiste Hadena bicruris, un papillon nocturne qui pourrait aussi jouer un rôle dans la différenciation des populations. L'épaisseur des fruits étant plus faible dans les régions où la plante est invasive (Amérique du Nord) et où l'insecte est absent, ce trait pourrait jouer un rôle défensif. Une pression de sélection plus faible causée par l'absence de l'herbivore aurait abouti à une perte de cette défense dans ces régions. Nous avons montré que l'épaisseur du fruit est variable selon les populations. L'infestation artificielle de fruit par l'insecte induit l'abscission sélective des fruits. Les fruits produits après une infestation n'étaient pas plus épais que les fruits issus de plantes non infestées. De plus, les fruits épais n'étaient pas moins nutritifs et ne causaient pas de perte de temps pour la prédation pour les larves, ce qui suggère que l'épaisseur des fruits ne joue pas un rôle défensif. Nos résultats montrent que plusieurs pressions de sélection interviennent et interagissent dans l'évolution de populations distantes, provoquant la divergence des populations Européennes de l'espèce Silene latifolia.

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

A genetic and biochemical investigation of malondialdehyde production and turnover in Arabidopsis

Malondialdehyde (MDA) is a small reactive molecule which occurs ubiqui¬tous among eukaryotes. Interest in this molecule stems from the fact that it can be highly reactive. In green tissues of plants it is apparently formed pre¬dominantly by reactive oxygen species (ROS)-mediated non-enzymatic oxi¬dation (nLPO) of triunsaturated fatty acids (TFAs). MDA which is formed by nLPO is widely used as a disease marker and is regarded to be a cel-lular toxin. Surprisingly, sites of ROS production like mitochondria and chloroplasts possess membranes which are enriched in nLPO-prone polyun¬saturated fatty acids (PUFAs). In this work we showed that chloroplasts are the major site of MDA production in leaves of adult Arabidopsis thaliana plants, whereas analyses in seedlings revealed accumulation in meristematic tissues like the root tip, lateral roots and the apical meristem region. Char-acterizing the MDA pools in more detail, we could show that MDA in plants was predominantly present in a free, non-reactive enolate form. This might explain why it is tolerated in sites where its protonated form could poten¬tially damage the genome and proteome. Analyzing the biological fate of MDA in leaves using labeled MDA-isotopes. we were able to show that MDA is metabolized and used to assemble lipids. The major end-point metabolite was identified as 18:3-16:3-monqgalactosyldiacylglycerol (MGDG), which is the most abundant lipid in chloroplasts. We hypothesize that PUFAs in sites of ROS production, like at PS II in chloroplasts, might act as buffers pre¬venting damage of proteins, thereby generating molecules such as MDA. The MDA produced in this way appears predominantly in a non-reactive enolate form in the cell until it fulfills a biological function or until it is metabo¬lized in order to assemble polyunsaturated MGDGs. Additionally, nLPO has been reported to increase in pathogenesis and we challenged seedlings and adult plants with necrotrophic fungi. Monitoring MDA during the in¬fections, we found MDA pools in seedlings were highly inducible although they were tightly controlled in the leaves of adult plants. - Malondialdehyde (MDA) est une petite molecule réactive présente de manière ubiquitaire dans les eucaryotes. L'intérêt de cette molécule vient du fait que celle-ci pourrait être très réactive. Dans les tissus verts des plantes, la majorité du MDA est apparement formée par l'oxydation non-enzymatique (nLPO) des acides gras polyinsaturés (PUFAs) transmis par des espèces ac¬tives d'oxygène (ROS). Le MDA formé par nLPO est souvent utilisé comme marqueur de maladies et il est considéré comme une toxine cellulaire. Etonnament, les sites de production comme les mitochondries et les chloro- plastes sont riches en PUFAs qui sont sensibles à la nLPO. Dans cette thèse nous montrons que les chloroplastes répresentent le site de production de MDA dans les feuilles adultes d'Arabidopsis thaliana. Les analyses de MDA dans les plantules ont révélé que le MDA s'accumule dans les tissus meris- tematiques comme celles de la pointe de la racine, des racines latéralles et du meristème apical. Par la caractérisation du MDA présent nous avons pu montrer que la majorité du MDA était présent sous la forme d'un énolate non-réactif. Ceci pourrait expliquer pourquoi le MDA est toléré dans les sites où il pourrait casser le genome ou le protéome s'il est présent sous sa forme protonée. Les analyses du devenir du MDA dans les feuilles par des isotopes du MDA ont montré que celui-ci est metabolisé et utilisé pour assembler des lipides. Le lipide majoritairement métabolisé a été identifié comme étant le 18:3-16:3-monogalactosyldiacylglycerole (MGDG); le lipide le plus abondant dans les chloroplastes. Nous supposons que la présence des PUFAs dans les sites de production du ROS, tout comme le PS II dans les chloroplastes, pourrait jouer un rôle de tampon pour prevenir les protéines de différentes dégradations et ainsi générer des molécules telle que le MDA. La majorité du MDA produit par cette réaction est présente dans la cellule sous la forme d'énolate non-réactif, jusqu'au moment de son utilisation ou lorsqu'il serra metabolisé pour produire des MGDGs polyinsaturés. De plus, il a été décrit que nLPO pourait augmenter dans la pathogenèse, et nous avons testé des plantes adultes et des plantules en présence de champignons nécrotrophiques. L'observation du MDA pendant les infections a montré que les concentrations en MDA sont fortement induites dans les plantules mais contrôlées dans les plantes adultes.

Evaluation des pratiques d'irrigation, de fertilisation et d'application de pesticides dans l'agriculture périurbaine de Dakar, Sénégal

RESUMEL'agriculture urbaine et périurbalne - nommée ci-après AU - est un thème fort de recherche transversale, au vu des nombreux enjeux économiques, sociaux et environnementaux. L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle locale, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée sans porter atteinte à la santé et à l'environnement.Une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans ie sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.L'évaluation des impacts de l'irrigation avec des eaux usées brutes et des eaux de nappe saumâtres sur la qualité des sols (chapitre 2) a montré que l'alcalinité et les teneurs en calcium élevées des eaux saumâtres induisent la précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol. Na remplace consécutivement Ca sur le complexe argilo-humique du sol et les bicarbonates diminuent dans la solution du sol. Le carbone organique dissout (COD) augmente significativement dans la solution du sol et dans la nappe sous-jacente. Malgré l'alcalinité et les teneurs très élevées en calcium des eaux usées, il y a peu de précipitation de CaC03 dans l'horizon superficiel du sol et une faible augmentation du sodium échangeable ESP. La nitrification de l'ammonium des eaux usées (moy 190mg/L à Pikine) produit des protons, qui ne sont plus tamponnés par les bicarbonates exportés hors du profil. Il y a alors une nette baisse de pH des sols irrigués par des eaux usées non traitées. Les sols irrigués par des eaux usées et saumâtres stockent moins de C et Ν que les sols de référence.L'évaluation de l'influence de l'occupation des sols en zone périurbaine sur à la nappe phréatique peu profonde (chapitre 3) a permis de déterminer les traceurs représentatifs de l'occupation du sol, à savoir Br/CI, NO3/CI et δ180-Ν03 pour l'irrigation par des eaux usées, pH et δ15Ν-Ν03 pour l'irrigation par des eaux de nappe, et Rb+Cr et Κ pour les lixiviats de fosses septiques. Ce chapitre a mis en évidence des points importants de la dynamique de l'azote en zone périurbaine sous deux occupations du sol : (1) la dénitrification est un processus important dans l'agrosystème périurbain de Dakar en bas de dune, dans les gleysols où l'on trouve des conditions temporairement réduites et un substrat organique favorables aux microorganismes de la dénitrification. Les teneurs en nitrates sont presque nulles avec irrigation d'eau de nappe. (2) en bas de pente, mais avec irrigation quotidienne par les eaux usées, l'apport continu d'ammonium inhibe probablement la dénitrification, mais favorise la volatilisation. (3) la nitrification de l'ammonium dans la nappe lors de la lixiviation des fosses septiques se distingue de la nitrification de l'ammonium dans la zone non saturée dans la zone d'agriculture périurbaine par la composition isotopique de l'oxygène de l'eau. Une comparaison des flux d'azote entre l'agrosystème et les quartiers périurbains de Dakar (chapitre 4) ont révélé que ces derniers étaient du même ordre de grandeur par unité de surface, à savoir 2-4 tonnes Ν /ha/an.L'évaluation des flux de pesticides dans l'agrosystème et des risques induits pour les eaux souterraines (chapitre 5) a révélé un fiux total de pesticides de 60kg/ha/an, totalisant 15 matières actives. Seules deux de ces matières actives sont autorisées par le comité des pesticides sahélien. Les pesticides les plus utilisés par les producteurs sont l'organochloré dicofol, les organophosphorés methamidophos, dimethoate et fenithrotion ainsi que le cabamate methomyl. Les flux les plus importants sont de 9 à 7 kg/ha/an (methomyl, methamidophos, ethoprophos et dicofol). Les pesticides qui présentent un risque élevé de contamination des eaux souterraines et qui devraient être prioritaires pour un suivi analytique sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, une meilleure gestion de la fertilisation est nécessaire dans la zone d'AU de Dakar, afin de (1) réduire les pertes gazeuses qui contribuent à l'effet de serre, (2) de ralentir la minéralisation du carbone et de l'azote organiques pour créer un stock de C et Ν dans ces sols, (3) de limiter le lessivage dans la nappe et enfin, 4) d'augmenter l'efficacité d'utilisation de Ν par les plantes. Une optimisation de l'irrigation devrait limiter l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et les mares permanentes.ABSTRACTUrban and periurban agriculture (UA) is an important issue in southern countries, because of its key role in their social and economical development and its environmental concern. The goal of this study was to contribute to a better understanding of pollutant transfer and nutrient cycling at the local scale, in order to implement the necessary improvements to guarantee the sustainability of this practice.An approach based on geochemical processes occurring in the vadose zone from the surface down to the groundwater level was chosen, at the scale of cultivated plots and at the regional scale of Dakar periurban areas, to determine the influence of land use.The assessment of irrigation with untreated domestic wastewater and brackish water on soil quality (chapter 2) showed: (1) that the high alkalinity and calcium contents of brackish water induce CaC03 precipitation in the top layer of the soil and therefore a replacement of Ca by Na on the clay- humic complexes, strongly marked during the dry season. Dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the soil solution and in the underlying groundwater. (2) in spite of the similarly high alkalinity and Ca contents of waste water, there is only little CaC03 precipitation and a low increase of the percentage of exchangeable sodium (ESP) in the soil top layer. The nitrification of the ammonium of wastewater (mean 190 mg/L in Pikine) produces protons, which are not any more buffered by bicarbonates exported out of the soil profile, which leads to a net decline of soil pH. Both soils irrigated with untreated wastewater and brackish water store less of C and Ν than soils irrigated with non saline groundwater.The assessment of the impact of land use on the shallow groundwater (chapter 3) allowed determining representative tracers of the land use. Low Br/CI ratio, high NO3/CI ratio and low δ1βΟ- nitrate indicated the influence of wastewater; high pH and high 515N-nitrates indicated the influence of brackish water together with high amendments of organic fertilizers; high Rb+Cr and Κ indicated the influence of poor sanitation facilities in periurban districts (septic tank leakage). This chapter also pointed out the following facts about the nitrogen dynamics : (1) denitrification is a key-process in the Dakar UA agrosystem in the gleysols irrigated with groundwater. The underlying groundwater is almost nitrate free. (2) in the Gleysols irrigated with waste water, ammonium inhibits denitrification but facilitate ammoniac volatilization. A comparison of nitrogen balance between the UA agrosystem and the periurban districts of Dakar (chapter 4) revealed similar flows per surface unit, namely 2-4 tons Ν / ha / year.The evaluation of pesticides use in the UA agrosystem and the risk assessment for the groundwater (chapter 5) revealed a total flow of pesticides of 60kg / ha / year, totalizing 15 active substances. Only two of these are authorized by the Sahelian Pesticides Committee. The most used pesticides are dicofol (organochlorinated), methamidophos, dimethoate and fenithrotion (organophosphate) as well as methomyl. (carbamate). The most important flows vary between 9 to 7 kg / ha / year. Pesticides with a high risk of groundwater contamination - according to SIRIS and EPRIP 2 indicators - are: carbofuran, dimethoate, ethoprophos and methomyl. These substances should be established as a priority for an analytical follow-up in the different environmental compartments.In conclusion, a better management of the fertilization is necessary in the Dakar UA, (1) to reduce the gaseous losses which contribute to greenhouse emissions (2) to slow down the mineralization of the organic carbon and the nitrogen, in order to enhance the C and Ν stock in these soils, (3) to limit the nitrate leaching in the groundwater and finally, 4) to increase the N-use efficiency of plants. An optimization of the irrigation scheme should limit the secondary sodisation if coupled with an increase the stable organic matter of the soil. An integrated or biologic crop pest strategy is urgently needed to minimize risks with respect to ground and surface water (ponds used for fishing).RESUME LARGE PUBLICL'agriculture mondiale connaît actuellement une crise majeure, affectée par les changements climatiques, la sécurité alimentaire et les dégradations de l'environnement. Elle n'a plus le rôle unique de produire, mais devient un élément essentiel de la protection des ressources naturelles et du paysage. Les politiques agricoles basées sur les marchés mondiaux devront se réorienter vers une agriculture locale basée sur le développement durable.La production alimentaire située dans l'enceinte des villes, nommée agriculture urbaine ou périurbaine (AU ci-après) joue un rôle important dans le contexte actuel d'accroissement de la population et de la pauvreté urbaines. L'AU concerne en effet la majorité des mégapoies du monde, fait vivre plus de 200 millions de personnes dans les pays du Sud, fournit jusqu'à 80% de la demande urbaine en certains produits frais, fait barrière à l'extension urbaine et permet un recyclage de certains déchets urbains. L'AU a pour particularité d'être à cheval entre des politiques rurales et urbaines, d'où un délaissement ce cette activité au secteur informel. Ce qui a développé de nombreuses stratégies à risques, comme à Dakar, où les petits producteurs périurbains irriguent quotidiennement avec des eaux usées domestiques par manque d'accès à une eau de bonne qualité et pour raccourcir les cycles de production. L'extrême précarité foncière des acteurs de l'AU de Dakar les empêchent d'investir à long terme et induit des pratiques inadéquates d'irrigation, d'usage de pesticides et de fertilisation de ces sols sableux.L'objectif de cette recherche était de contribuer à une meilleure connaissance des processus de transfert de polluants et du cycle des nutriments à l'échelle des parcelles cultivées par des eaux usées et des eaux saumâtres, afin de déterminer sous quelles conditions l'AU de Dakar peut être pratiquée et surtout maintenue sans porter atteinte à la santé et à l'environnement. Pour cela, une approche basée sur l'étude des processus géochimiques dans le sol jusqu'à la nappe a été choisie, à l'échelle de la parcelle cultivée et à une échelle un peu plus large de la zone périurbaine de Dakar pour déterminer les influences du type d'occupation du sol.Les résultats principaux de cette étude ont montré que (1) il y a un processus de salinisation anthropique des sols (sodisation) lors d'irrigation avec des eaux de nappe saumâtres, un processus accentué en saison sèche et lors d'années à pluviométrie déficitaire. Bien que les eaux usées soient aussi salines que les eaux de nappe, la salinisation des sols irrigués' par des eaux usées est limitée par l'ammonium présent dans les eaux usées (moy 190mg NH4/L à Pikine) qui produit de l'acidité lors de la transformation en nitrates dans le sol (nitrification). (2) les sols irrigués par des eaux usées (EU) stockent moins de C et Ν que les sois de référence, ce qui montrent bien que l'azote des eaux usées n'est pas disponible pour les plantes, mais est lessivé dans la nappe (100 à 450 mg/L N03 sous irrigation par EU, alors que la limite de OMS est de 50mg/L). (3) l'utilisation des isotopes stables des nitrates et des éléments traces, notamment le bore et le brome, ont permis de distinguer l'influence de l'irrigation par des eaux usées, de l'irrigation par des eaux de nappe et des lixiviats de fosses septiques sur les propriétés de la nappe. (4) Le processus de la dénitrification (atténuation naturelle des concentrations en nitrates de la nappe par biotransformation en azote gazeux) est important dans les zones basses de l'agrosystème périurbain de Dakar, sous irrigation par eaux naturelles (ΝΟ3 < 50mg/L). Tandis que sous habitat sans assainissement adéquat, les nitrates atteignent 300 à 700 mg/L. (5) Le flux total de pesticides dans l'AU est énorme (60kg/ha/an) totalisant 15 pesticides, dont deux seulement sont autorisés. Les pesticides les plus utilisés sont des insecticides organophosphorés et organochlorés classés extrêmement dangereux à dangereux par l'OMS, appliqués à des doses de 2 à 9 kg/ha/an. Les pesticides qui ont montré un risque élevé de contamination des eaux souterraines avec les indicateurs SIRIS et EPRIP2 sont : le carbofuran, le dimethoate, l'ethoprophos et le methomyl.En conclusion, nous recommandons la reconstitution d'un horizon superficiel des sols riche en matière organique stable et structuré par production locale de compost. Cette mesure réduira les pertes gazeuses contribuant à l'effet de serre, augmentera le stock de Ν dans ces sols, alors utilisable par les plantes et permettra de diminuer l'irrigation car la capacité de rétention de l'eau dans le sol sera accru, ce qui limitera le lessivage des nitrates dans la nappe et l'alcalinisation secondaire. Enfin, la mise en place d'une lutte intégrée ou biologique contre les ravageurs est indispensable afin de minimiser les risques pour les eaux souterraines et lesmares permanentes.

Biodiversité du Vallon de Nant.

Le Vallon de Nant, situé dans les Alpes vaudoises, attire depuis longtemps les naturalistes et scientifiques. Il a été classé comme réserve naturelle en 1969. Les premières Journées de la biodiversité en Romandie y ont été organisées les 5 et 6 juillet 2008 afin d'améliorer la connaissance des espèces vivant dans le Vallon de Nant, avant l'établissement d'un plan de gestion de la réserve naturelle. Une cinquantaine de scientifiques ont participé à cet inventaire de la faune et de la flore. Ce Mémoire de la Société vaudoise des Sciences naturelles compte 15 articles rédigés par les participants à ces journées et font l'inventaire des richesses spécifiques du Vallon de Nant. Des champignons aux mammifères en passant par les lichens, les mousses, les plantes à fleurs, les escargots, les insectes, les amphibiens, les reptiles et les oiseaux, c'est un inventaire exhaustif des quelque 2000 espèces connues actuellement dans le Vallon de Nant, dont plus de 1100 recensées durant les Journées de la biodiversité. Agrémenté de 157 photos couleurs, dont celles du photographe-naturaliste Daniel Aubort de Montreux, ces 240 pages permettent de découvrir les richesses de cette réserve naturelle créée en 1969, pour éviter d'y voir arriver les chars de l'armée suisse qui désirait alors en faire une place d'armes.