Les symbioses agro-industrielles en Afrique de l'Ouest : évaluation du potentiel d'une nouvelle stratégie pour un développement durable

RésuméCette thèse traite de l'utilisation des concepts de Symbiose Industrielle dans les pays en développement et étudie le potentiel de cette stratégie pour stimuler un développement régional durable dans les zones rurales d'Afrique de l'Ouest. En particulier, lorsqu'une Symbiose Industrielle est instaurée entre une usine et sa population alentour, des outils d'évaluation sont nécessaires pour garantir que le projet permette d'atteindre un réel développement durable. Les outils existants, développés dans les pays industrialisés, ne sont cependant pas complètement adaptés pour l'évaluation de projets dans les pays en développement. En effet, les outils sont porteurs d'hypothèses implicites propres au contexte socio-économique dans lequel ils ont été conçus.L'objectif de cette thèse est de développer un cadre méthodologique pour l'évaluation de la durabilité de projets de Symbiose Industrielle dans les pays en développement.Pour ce faire, je m'appuie sur une étude de cas de la mise en place d'une Symbiose Industrielle au nord du Nigéria, à laquelle j'ai participé en tant qu'observatrice dès 2007. AshakaCem, une usine productrice de ciment du groupe Lafarge, doit faire face à de nombreuses tensions avec la population rurale alentour. L'entreprise a donc décidé d'adopter une nouvelle méthode inspirée des concepts de Symbiose Industrielle. Le projet consiste à remplacer jusqu'à 10% du carburant fossile utilisé pour la cuisson de la matière crue (calcaire et additifs) par de la biomasse produite par les paysans locaux. Pour ne pas compromettre la fragile sécurité alimentaire régionale, des techniques de lutte contre l'érosion et de fertilisation naturelle des sols sont enseignées aux paysans, qui peuvent ainsi utiliser la culture de biomasse pour améliorer leurs cultures vivrières. A travers cette Symbiose Industrielle, l'entreprise poursuit des objectifs sociaux (poser les bases nécessaires à un développement régional), mais également environnementaux (réduire ses émissions de CO2 globales) et économiques (réduire ses coûts énergétiques). Elle s'ancre ainsi dans une perspective de développement durable qui est conditionnelle à la réalisation du projet.A travers l'observation de cette Symbiose et par la connaissance des outils existants je constate qu'une évaluation de la durabilité de projets dans les pays en développement nécessite l'utilisation de critères d'évaluation propres à chaque projet. En effet, dans ce contexte, l'emploi de critères génériques apporte une évaluation trop éloignée des besoins et de la réalité locale. C'est pourquoi, en m'inspirant des outils internationalement reconnus comme l'Analyse du Cycle de Vie ou la Global Reporting Initiative, je définis dans cette thèse un cadre méthodologique qui peut, lui, être identique pour tous les projets. Cette stratégie suit six étapes, qui se réalisent de manière itérative pour permettre une auto¬amélioration de la méthodologie d'évaluation et du projet lui-même. Au cours de ces étapes, les besoins et objectifs en termes sociaux, économiques et environnementaux des différents acteurs sont déterminés, puis regroupés, hiérarchisés et formulés sous forme de critères à évaluer. Des indicateurs quantitatifs ou qualitatifs sont ensuite définis pour chacun de ces critères. Une des spécificités de cette stratégie est de définir une échelle d'évaluation en cinq graduations, identique pour chaque indicateur, témoignant d'un objectif totalement atteint (++) ou pas du tout atteint (--).L'application de ce cadre méthodologique à la Symbiose nigériane a permis de déterminer quatre critères économiques, quatre critères socio-économiques et six critères environnementaux à évaluer. Pour les caractériser, 22 indicateurs ont été définis. L'évaluation de ces indicateurs a permis de montrer que le projet élaboré atteint les objectifs de durabilité fixés pour la majorité des critères. Quatre indicateurs ont un résultat neutre (0), et un cinquième montre qu'un critère n'est pas atteint (--). Ces résultats s'expliquent par le fait que le projet n'en est encore qu'à sa phase pilote et n'a donc pas encore atteint la taille et la diffusion optimales. Un suivi sur plusieurs années permettra de garantir que ces manques seront comblés.Le cadre méthodologique que j'ai développé dans cette thèse est un outil d'évaluation participatif qui pourra être utilisé dans un contexte plus large que celui des pays en développement. Son caractère générique en fait un très bon outil pour la définition de critères et indicateurs de suivi de projet en terme de développement durable.SummaryThis thesis examines the use of industrial symbiosis in developing countries and studies its potential to stimulate sustainable regional development in rural areas across Western Africa. In particular, when industrial symbiosis is instituted between a factory and the surrounding population, evaluation tools are required to ensure the project achieves truly sustainable development. Existing tools developed in industrialized countries are not entirely suited to assessing projects in developing countries. Indeed, the implicit hypotheses behind such tools reflect the socioeconomic context in which they were designed. The goal of this thesis is to develop a methodological framework for evaluating the sustainability of industrial symbiosis projects in developing countries.To accomplish this, I followed a case study about the implementation of industrial symbiosis in northern Nigeria by participating as an observer since 2007. AshakaCem, a cement works of Lafarge group, must confront many issues associated with violence committed by the local rural population. Thus, the company decided to adopt a new approach inspired by the concepts of industrial symbiosis.The project involves replacing up to 10% of the fossil fuel used to heat limestone with biomass produced by local farmers. To avoid jeopardizing the fragile security of regional food supplies, farmers are taught ways to combat erosion and naturally fertilize the soil. They can then use biomass cultivation to improve their subsistence crops. Through this industrial symbiosis, AshakaCem follows social objectives (to lay the necessary foundations for regional development), but also environmental ones (to reduce its overall CO2 emissions) and economical ones (to reduce its energy costs). The company is firmly rooted in a view of sustainable development that is conditional upon the project's execution.By observing this symbiosis and by being familiar with existing tools, I note that assessing the sustainability of projects in developing countries requires using evaluation criteria that are specific to each project. Indeed, using generic criteria results in an assessment that is too far removed from what is needed and from the local reality. Thus, by drawing inspiration from such internationally known tools as Life Cycle Analysis and the Global Reporting Initiative, I define a generic methodological framework for the participative establishment of an evaluation methodology specific to each project.The strategy follows six phases that are fulfilled iteratively so as to improve the evaluation methodology and the project itself as it moves forward. During these phases, the social, economic, and environmental needs and objectives of the stakeholders are identified, grouped, ranked, and expressed as criteria for evaluation. Quantitative or qualitative indicators are then defined for each of these criteria. One of the characteristics of this strategy is to define a five-point evaluation scale, the same for each indicator, to reflect a goal that was completely reached (++) or not reached at all (--).Applying the methodological framework to the Nigerian symbiosis yielded four economic criteria, four socioeconomic criteria, and six environmental criteria to assess. A total of 22 indicators were defined to characterize the criteria. Evaluating these indicators made it possible to show that the project meets the sustainability goals set for the majority of criteria. Four indicators had a neutral result (0); a fifth showed that one criterion had not been met (--). These results can be explained by the fact that the project is still only in its pilot phase and, therefore, still has not reached its optimum size and scope. Following up over several years will make it possible to ensure these gaps will be filled.The methodological framework presented in this thesis is a highly effective tool that can be used in a broader context than developing countries. Its generic nature makes it a very good tool for defining criteria and follow-up indicators for sustainable development.

Les symbioses industrielles : une nouvelle stratégie pour l'amélioration de l'utilisation des ressources matérielles et énergétiques par les activités économiques

RésuméCette thèse traite d'un domaine d'application de l'écologie industrielle, les symbioses industrielles, comme stratégie d'amélioration de la consommation des ressources matérielles et énergétiques et de la gestion des déchets par les activités économiques. Les symbioses industrielles cherchent à créer de nouvelles collaborations directement entre les acteurs économiques d'un territoire dans le but d'échanger de l'information, des matières premières et des déchets, et d'intensifier les mutualisations de services et d'infrastructures possibles entre entreprises voisines. Ces quatre types de collaboration sont représentés schématiquement dans la figure ci-dessous.Dans ce travail, la détection et la mise en oeuvre de symbioses industrielles sont abordées sous plusieurs angles. Les recherches réalisées concernent le développement de procédures de mise en oeuvre s'adressant aux collectivités publiques, aux institutions académiques et aux bureaux de conseil dans le domaine de l'environnement. Les objectifs des procédures sont de créer une dynamique de collaboration et de confiance entre les acteurs économiques et l'administration publique d'un territoire afin de détecter des symbioses industrielles potentielles. Ces procédures requièrent la gestion de grandes quantités d'informations relatives aux flux de matière et d'énergie.Un travail de terrain, réalisé sur les territoires du canton de Genève et de Lausanne Région et utilisé comme études de cas, a permis de mettre en évidence un grand nombre de symbioses industrielles qui existent déjà en Suisse romande. Plusieurs dizaines d'exemples ont été identifiés principalement dans lesdomaines de la gestion de l'eau, de l'énergie, des produits chimiques et des matériaux de construction. La législation suisse autoriserait cependant la concrétisation de nombreuses autres opportunités. Dans cette recherche, celles-ci sont évaluées techniquement, légalement, économiquement et environnementalement. La création d'un référentiel d'évaluation des opportunités permet de déterminer quelles sont les symbioses industrielles techniquement réalisables et pertinentes dans le contexte suisse et dans quels cas celles-ci représenteraient une réelle plus-value par rapport à l'utilisation actuelle de la ressource et aux filières existantes de collecte et de valorisation des déchets.Finalement, un logiciel, SymbioGIS, destiné à soutenir la détection et l'évaluation de symbioses industrielles potentielles a été développé. Il s'agit d'une interface web accessible pour de nombreux utilisateurs, couplée à une interface de systèmes d'information géographique. En plus de la détection de symbioses industrielles, plusieurs fonctionnalités sont proposées pour faciliter la prise en compte des flux de matière et d'énergie dans les problématiques liées à l'aménagement du territoire et au positionnement des activités économiques.En conclusion, cette recherche met en évidence la nécessité de rapprocher les institutions publiques en charge de la protection de l'environnement, de la promotion économique et de l'aménagement du territoire pour favoriser l'essor des symbioses industrielles comme stratégie pour la gestion des ressources matérielles et énergétiques. Elle propose des pistes pour intensifier les collaborations entre ces domaines et accélérer le partage des connaissances liées aux flux de matière et d'énergie et à leur cheminement au sein des activités économiques afin de rendre le système industriel existant en Suisse romande viable à long terme. Parallèlement, elle étudie les possibilités de transposer ces considérations et les procédures et outils développés dans le contexte économique et social de la région Asie-Pacifique, où se trouvent aujourd'hui de nombreuses activités de production.SummaryIndustrial symbioses: A new strategy for improving how economic activities use material and energy resourcesThis thesis focuses on one application of industrial ecology, industrial symbioses, as a strategy for improving how economic activities consume material and energy resources. Industrial symbioses seek to create new collaborations among economic players with the goal of exchanging information, raw materials, and waste directly among area businesses, and to step up the potential pooling of services and infrastructure among neighboring companies.The identification and implementation of industrial symbioses are studied from several angles. The research first examines the development of implementation procedures for government bodies, academic institutions, and environmental consulting services. The purpose of the procedures is to create a dynamic of collaboration and trust between the economic players and the public officials in a region in order to identify potential industrial symbioses. The procedures necessitate managing large amounts of information about material and energy flows.Fieldwork conducted in the canton of Geneva and the Lausanne region, and used as case studies for the research, highlights a great number of industrial symbioses that already exist in French-speaking Switzerland. Several dozen examples are identified, primarily in the areas of water management, energy, chemical products, and building materials; however, Swiss law would permit many others. The research evaluates these opportunities from a technical, legal, economic, and environmental standpoint. By developing an assessment framework it is possible to determine which industrial symbioses are technically feasible and pertinent in Switzerland, and under what circumstances they would represent real added value compared to the current use of the resource and to existing systems for collecting and reusing waste.Lastly, SymbioGIS software was developed to help identify and assess potential industrial symbioses. The program's Web-based interface can be accessed by multiple users and is coupled with an interface that provides geographic information. In addition to identifying industrial symbioses, several program functionalities make it easier to consider material and energy flows with regard to local development issues and siting economic activities.In conclusion, the research highlights the need to bring together public institutions charged with protecting the environment, promoting economic activity, and overseeing development in order to foster the expansion of industrial symbioses as a strategy for managing material and energy resources. It proposes solutions for stepping up collaboration among these players and accelerating the sharing of knowledge about material and energy flows and their paths within economic activities with the goal of making theexisting industrial system in French-speaking Switzerland viable long-term. Also examined were thepossibilities of transposing these considerations and the study's findings about Switzerland to the economic and social context of the Asia-Pacific region, where much production is now located.

Mycorrhizal symbioses: how to be seen as a good fungus.

Plants continually encounter many microorganisms. Some are good, but many are bad. Two studies show how beneficial fungi tell the plant to let them in and how the fungus avoids setting off the plant's defense reaction.

Low gene copy number shows that arbuscular mycorrhizal fungi inherit genetically different nuclei.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are ancient asexually reproducing organisms that form symbioses with the majority of plant species, improving plant nutrition and promoting plant diversity. Little is known about the evolution or organization of the genomes of any eukaryotic symbiont or ancient asexual organism. Direct evidence shows that one AMF species is heterokaryotic; that is, containing populations of genetically different nuclei. It has been suggested, however, that the genetic variation passed from generation to generation in AMF is simply due to multiple chromosome sets (that is, high ploidy). Here we show that previously documented genetic variation in Pol-like sequences, which are passed from generation to generation, cannot be due to either high ploidy or repeated gene duplications. Our results provide the clearest evidence so far for substantial genetic differences among nuclei in AMF. We also show that even AMF with a very large nuclear DNA content are haploid. An underlying principle of evolutionary theory is that an individual passes on one or half of its genome to each of its progeny. The coexistence of a population of many genomes in AMF and their transfer to subsequent generations, therefore, has far-reaching consequences for understanding genome evolution.

The genome of Laccaria bicolor provides insights into mycorrhizal symbiosis

Mycorrhizal symbioses--the union of roots and soil fungi--are universal in terrestrial ecosystems and may have been fundamental to land colonization by plants. Boreal, temperate and montane forests all depend on ectomycorrhizae. Identification of the primary factors that regulate symbiotic development and metabolic activity will therefore open the door to understanding the role of ectomycorrhizae in plant development and physiology, allowing the full ecological significance of this symbiosis to be explored. Here we report the genome sequence of the ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor (Fig. 1) and highlight gene sets involved in rhizosphere colonization and symbiosis. This 65-megabase genome assembly contains approximately 20,000 predicted protein-encoding genes and a very large number of transposons and repeated sequences. We detected unexpected genomic features, most notably a battery of effector-type small secreted proteins (SSPs) with unknown function, several of which are only expressed in symbiotic tissues. The most highly expressed SSP accumulates in the proliferating hyphae colonizing the host root. The ectomycorrhizae-specific SSPs probably have a decisive role in the establishment of the symbiosis. The unexpected observation that the genome of L. bicolor lacks carbohydrate-active enzymes involved in degradation of plant cell walls, but maintains the ability to degrade non-plant cell wall polysaccharides, reveals the dual saprotrophic and biotrophic lifestyle of the mycorrhizal fungus that enables it to grow within both soil and living plant roots. The predicted gene inventory of the L. bicolor genome, therefore, points to previously unknown mechanisms of symbiosis operating in biotrophic mycorrhizal fungi. The availability of this genome provides an unparalleled opportunity to develop a deeper understanding of the processes by which symbionts interact with plants within their ecosystem to perform vital functions in the carbon and nitrogen cycles that are fundamental to sustainable plant productivity.

Predicting community and ecosystem outcomes of mycorrhizal responses to global change.

Mycorrhizal symbioses link the biosphere with the lithosphere by mediating nutrient cycles and energy flow though terrestrial ecosystems. A more mechanistic understanding of these plant-fungal associations may help ameliorate anthropogenic changes to C and N cycles and biotic communities. We explore three interacting principles: (1) optimal allocation, (2) biotic context and (3) fungal adaptability that may help predict mycorrhizal responses to carbon dioxide enrichment, nitrogen eutrophication, invasive species and land-use changes. Plant-microbial feedbacks and thresholds are discussed in light of these principles with the goal of generating testable hypotheses. Ideas to develop large-scale collaborative research efforts are presented. It is our hope that mycorrhizal symbioses can be effectively integrated into global change models and eventually their ecology will be understood well enough so that they can be managed to help offset some of the detrimental effects of anthropogenic environmental change.

Effects of genetic alterations in arbuscular mycorrhizal fungi on plant growth and on their response to a change of host

Abstract :The majority of land plants form the symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). The AM symbiosis has existed for hundreds of millions of years but little or no specificity seems to have co- evolved between the partners and only about 200 morphospecies of AMF are known. The fungi supply the plants most notably with phosphate in exchange for carbohydrates. The fungi improve plant growth, protect them against pathogens and herbivores and the symbiosis plays a key role in ecosystem productivity and plant diversity. The fungi are coenocytic, grow clonally and no sexual stage in their life cycle is known. For these reasons, they are presumed ancient asexuals. Evidence suggests that AMF contain populations of genetically different nucleotypes coexisting in a common cytoplasm. Consequently, the nucleotype content of new clonal offspring could potentially be altered by segregation of nuclei at spore formation and by genetic exchange between different AMF. Given the importance of AMF, it is surprising that remarkably little is known about the genetics and genomics of the fungi.The main goal of this thesis was to investigate the combined effects of plant species differences and of genetic exchange and segregation in AMF on the symbiosis. This work showed that single spore progeny can receive a different assortment of nucleotypes compared to their parent and compared to other single spore progeny. This is the first direct evidence that segregation occurs in AMF. We then showed that both genetic exchange and segregation can lead to new progeny that differentially alter plant growth compared to their parents. We also found that genetic exchange and segregation can lead to different development of the fungus during the establishment of the symbiosis. Finally, we found that a shift of host species can differentially alter the phenotypes and genotypes of AMF progeny obtained by genetic exchange and segregation compared to their parents.Overall, this study confirms the multigenomic state of the AMF Glomus intraradices because our findings are possible only if the fungus contains genetically different nuclei. We demonstrated the importance of the processes of genetic exchange and segregation to produce, in a very short time span, new progeny with novel symbiotic effects. Moreover, our results suggest that different host species could affect the fate of different nucleotypes following genetic exchange and segregation in AMF, and can potentially contribute to the maintenance of genetic diversity within AMF individuals. This work brings new insights into understanding how plants and fungi have coevolved and how the genetic diversity in AMF can be maintained. We recommend that the intra-ir1dividual AMF diversity and these processes should be considered in future research on this symbiosis.Résumé :La majorité des plantes terrestres forment des symbioses avec les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA). Cette symbiose existe depuis plusieurs centaines de millions d'années mais peu ou pas de spécificité semble avoir co-évoluée entre les partenaires et seulement 200 morpho-espèces de CEA sont connues. Le champignon fournit surtout aux plantes du phosphate en échange de carbohydrates. Le champignon augmente la croissance des plantes, les protège contre des pathogènes et herbivores et la symbiose joue un rôle clé dans la productivité des écosystèmes et de la diversité des plantes. Les CEA sont coenocytiques, se reproduisent clonalement et aucune étape sexuée n'est connue dans leur cycle de vie. Pour ces raisons, ils sont présumés comme anciens asexués. Des preuves suggèrent que les CEA ont des populations de nucleotypes différents coexistant dans un cytoplasme commun. Par conséquent, le contenu en nucleotype des nouveaux descendants clonaux pourrait être altéré par la ségrégation des noyaux lors de la fonnation des spores et par l'échange génétique entre différents CEA. Etant donné l'importance des CEA, il est surprenant que si peu soit connu sur la génétique et la génomique du champignon.Le principal but de cette thèse a été d'étudier les effets combinés de différentes espèces de plantes et des mécanismes d'échange génétique et de ségrégation chez les CEA sur la symbiose. Ce travail a montré que chaque nouvelle spore produite pouvait recevoir un assortiment différent de noyaux comparé au parent ou comparé à d'autres nouvelles spores. Ceci est la première preuve directe que la ségrégation peut se produire chez les CEA. Nous avons ensuite montré qu'à la fois l'échange génétique et la ségrégation pouvaient mener à de nouveaux descendants qui altèrent différemment la croissance des plantes, comparé à leurs parents. Nous avons également trouvé que l'échange génétique et la ségrégation pouvaient entraîner des développements différents du champignon pendant l'établissement de la symbiose. Pour finir, nous avons trouvé qu'un changement d'espèce de l'hôte pouvait altérer différemment les phénotypes et génotypes des descendants issus d'échange génétique et de ségrégation, comparé à leurs parents.Globalement, cette étude confirme l'état multigénomique du CEA Glumus intraradices car nous résultats sont possibles seulement si le champignon possède des noyaux génétiquement différents. Nous avons démontrés l'importance des mécanismes d'échange génétique et de ségrégation pour produire en très peu de temps de nouveaux descendants ayant des effets symbiotiques nouveaux. De plus, nos résultats suggèrent que différentes espèces de plantes peuvent agir sur le devenir des nucleotypes après l'échange génétique et la ségrégation chez les CEA, et pourraient contribuer à la maintenance de la diversité génétique au sein d'un même CEA. Ce travail apporte des éléments nouveaux pour comprendre comment les plantes et les champignons ont coévolué et comment la diversité génétique chez les CEA peut être maintenue. Nous recommandons de considérer la diversité génétique intra-individuelle des CEA et ces mécanismes lors de futures recherches sur cette symbiose.

Segregation in a mycorrhizal fungus alters rice growth and symbiosis-specific gene transcription

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form symbioses with the majority of plants, improving plant nutrition and diversity. Evidence exists suggesting that AMF contain populations of genetically different nucleotypes coexisting in a common cytoplasm. This potentially has two important consequences for their genetics. First, by random distribution of nuclei at spore formation, new offspring of an AMF could receive different complements of nucleotypes compared to the parent or siblings-we consider this as segregation. Second, genetic exchange between AMF would allow the mixing of nuclei, altering nucleotype diversity in new spores. Because segregation was assumed not to occur and genetic exchange has only recently been demonstrated, no attempts have been made to test whether this affects the symbiosis with plants. Here, we show that segregation occurs in the AMF Glomus intraradices and can enhance the growth of rice up to five times, even though neither parental nor crossed AMF lines induced a positive growth response. This process also resulted in an alteration of symbiosis-specific gene transcription in rice. Our results demonstrate that manipulation of AMF genetics has important consequences for the symbiotic effects on plants and could be used to enhance the growth of globally important crops.

Nonself vegetative fusion and genetic exchange in the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form symbioses with the majority of plants and form extensive underground hyphal networks simultaneously connecting the roots of different plant species. No empirical evidence exists for either anastomosis between genetically different AMF or genetic exchange.Five isolates of one population of Glomus intraradices were used to study anastomosis between hyphae of germinating spores. We show that genetically distinct AMF, from the same field, anastomose, resulting in viable cytoplasmic connections through which genetic exchange could potentially occur.Pairs of genetically different isolates were then co-cultured in an in vitro system.Freshly produced spores were individually germinated to establish new cultures.Using several molecular tools, we show that genetic exchange occurred between genetically different AMF. Specific genetic markers from each parent were transmitted to the progeny. The progeny were viable, forming symbioses with plant roots. The phenotypes of some of the progeny were significantly different from either parent.Our results indicate that considerable promiscuity could occur in these fungi because nine out of 10 combinations of different isolates anastomosed. The ability to perform genetic crosses between AMF experimentally lays a foundation for understanding the genetics and evolutionary biology of these important plants symbionts.

Genetic variability in Arbuscular Mycorrhizal Fungi : effect on gene transcription of "Oryza Sativa"

AbstractArbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) form obligate symbioses with the majority of land plants. These fungi influence the diversity and productivity of plants. AMF are unusual organisms, harbouring genetically different nuclei in a common cytoplasm (known as heterokaryosis). Genetic variability has been shown between AMF individuals coming from the same population. Recent findings showed that genetic exchange between genetically different AMF individuals was possible. Additionnaly, segregation was shown to occur at spore formation in AMF. These two processes were shown to increase genetic variability between AMF individuals.Because of the difficulty to study these organisms, almost nothing is known about the effect of intra-specific genetic variability in AMF on the plant transcriptome. The aim of this thesis was to bring insights into the effect of intra-specific genetic variability in AMF on plant gene transcription. We demonstrated that genetic exchange could influence expression of some symbiosis specific plant genes and the timing of the colonization of the fungi in plant roots. We also showed that segregation could have a large impact on plant gene transcription. Taken together, these results demonstrated that AMF intra-specific variability could profoundly affect the life of plants by altering various molecular pathways. Moreover, results obtained on rice open a field of research on AMF genetics in impromvment of growth in agricultural plants and should be taken into account for future experiments.RésuméLes champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment une symbiose obligatoire avec la majorité des plantes sur terre. Ces champignons peuvent influencer la diversité et la productivité des plantes avec lesquelles ils forment la symbiose. Les CEA sont des organismes particuliers de part le fait qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents (appelés hétérocaryosis) dans un cytoplasme commun. Il a été montré qu'il existait de la variabilité génétique intra-specific chez les CEA. De plus, des études recentes ont montré que l'échange génétique chez les CEA était possible entre des individus génétiquement différents tout comme la ségrégation qui a aussi été démontrée au moment de la formation des nouvelles spores chez les CEA. Ces deux processus ont été montrés comme pouvant créer aussi de la variabilité génétique intra-specific.Du fait de la difficulté de travailler avec les CEA et à cause de la nouveauté de ces recherches, très peu de choses sont connues sur l'effet de l'échange génétique et de la ségrégation chez les CEA sur les plantes, et particulièrement au niveau moléculaire. Le but de cette thèse a été d'apporter la lumière sur les effets de la viariabilité génétique intra-specific chez les CEA, sur la transcription des gènes chez la plante. Nous avons pu montrer que l'échange génétique pouvait avoir des effets sur l'expression de gènes spécifiques à cette symbiose mais aussi pouvait influencer le timing de colonisation des racines de plantes par les CEA. Nous avons aussi montré que la ségrégation pouvait grandement influencer le transcriptome complet de la plante, et pas seulement les voies métaboliques spécifiques à la symbiose comme cela avait été montré auparavant.L'ensemble de ces résultats démontre l'importance de la variation intra-specific chez les CEA sur les plantes et leur implication sur leur cycle de vie en changeant l'expression de voies métaboliques. De plus, ces résultats obtenus sur le riz ouvrent un champ de recherches sur les plantes destinées à l'agriculture et devraient être pris en compte pour des expériences futures.

Relatedness among arbuscular mycorrhizal fungi drives plant growth and intraspecific fungal coexistence.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form symbioses with most plant species. They are ecologically important determinants of plant growth and diversity. Considerable genetic variation occurs in AMF populations. Thus, plants are exposed to AMF of varying relatedness to each other. Very little is known about either the effects of coexisting AMF on plant growth or which factors influence intraspecific AMF coexistence within roots. No studies have addressed whether the genetics of coexisting AMF, and more specifically their relatedness, influences plant growth and AMF coexistence. Relatedness is expected to influence coexistence between individuals, and it has been suggested that decreasing ability of symbionts to coexist can have negative effects on the growth of the host. We tested the effect of a gradient of AMF genetic relatedness on the growth of two plant species. Increasing relatedness between AMFs lead to markedly greater plant growth (27% biomass increase with closely related compared to distantly related AMF). In one plant species, closely related AMF coexisted in fairly equal proportions but decreasing relatedness lead to a very strong disequilibrium between AMF in roots, indicating much stronger competition. Given the strength of the effects with such a shallow relatedness gradient and the fact that in the field plants are exposed to a steeper gradient, we consider that AMF relatedness can have a strong role in plant growth and the ability of AMF to coexist. We conclude that AMF relatedness is a driver of plant growth and that relatedness is also a strong driver of intraspecific coexistence of these ecologically important symbionts.

Preference, specificity and cheating in the arbuscular mycorrhizal symbiosis.

Arbuscular mycorrhizal symbioses are mutualistic interactions between fungi and most plants. There is considerable interest in this symbiosis because of the strong nutritional benefits conferred to plants and its influence on plant diversity. Until recently, the symbiosis was assumed to be unspecific. However, two studies have now revealed that although it can be largely unspecific with the fungal community composition changing seasonally, in certain ecosystems it can also be highly specific and might potentially allow plants to cheat the arbuscular mycorrhizal network that connects plants below ground.

Gene organization of the mating type regions in the ectomycorrhizal fungus Laccaria bicolor reveals distinct evolution between the two mating type loci

In natural conditions, basidiomycete ectomycorrhizal fungi such as Laccaria bicolor are typically in the dikaryotic state when forming symbioses with trees, meaning that two genetically different individuals have to fuse or 'mate'. Nevertheless, nothing is known about the molecular mechanisms of mating in these ecologically important fungi. Here, advantage was taken of the first sequenced genome of the ectomycorrhizal fungus, Laccaria bicolor, to determine the genes that govern the establishment of cell-type identity and orchestrate mating. The L. bicolor mating type loci were identified through genomic screening. The evolutionary history of the genomic regions that contained them was determined by genome-wide comparison of L. bicolor sequences with those of known tetrapolar and bipolar basidiomycete species, and by phylogenetic reconstruction of gene family history. It is shown that the genes of the two mating type loci, A and B, are conserved across the Agaricales, but they are contained in regions of the genome with different evolutionary histories. The A locus is in a region where the gene order is under strong selection across the Agaricales. By contrast, the B locus is in a region where the gene order is likely under a low selection pressure but where gene duplication, translocation and transposon insertion are frequent.

Evolutionary genetics of arbuscular mycorrhizal fungi - causes and consequences of multiple genomes in Glomus intraradices

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment des symbioses avec la plupart des plantes terrestres. Les CEA influencent la croissance des plantes et la biodiversité. Ils sont supposés avoir évolué de manière asexuée pendant au moins 400 millions d'années et aucune diversification morphologique majeure n'a été constatée. Pour ces raisons, les CEA sont considérés comme d'anciens asexués. Très peu d'espèces sont connues actuellement. Les individus de ces champignons contiennent des noyaux génétiquement différents dans un cytoplasme continu. La signification évolutive, la variabilité et la maintenance des génomes multiples au sein des individus sont inconnues. Ce travail a démontré qu'une population du CEA Glomus intraradices est génétiquement très variable. Nous avons conclu que les plantes hôtes plutôt que la différenciation géographique devraient être responsables de cette grande diversité. Puis nous avons cherché l'existence de recombinaison entre génotypes dans une population. Nous avons détecté un groupe recombinant au sein de la population, ce qui met en doute l'état d'anciens asexués des CEA. Nous avons également détecté l'occurrence de fusions d'hyphes et l'échange de noyaux entre isolats génétiquement différents. La descendance hybride issue de cet échange était viable et distincte phénotypiquement des isolats parentaux. En résumé, ce travail identifie des événements cruciaux dans le cycle de vie des CEA qui ont le potentiel d'influencer l'évolution de génomes multiples. L'étude des conséquences de ces événements sur les interactions avec les plantes hôtes pourrait éclaircir significativement la compréhension de la symbiose entre plantes et CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important symbionts of most land plants. AMF influence plant growth and biodiversity. Very few extant species are described. AMF are thought to have evolved asexually for at least 400 million years and no major morphological diversification has occurred. Due to these reasons, they were termed `ancient asexuals'. Fungal individuals harbour genetically different nuclei in a continuous cytoplasm. The variability, maintenance and evolutionary significance of multiple genomes within individuals are unknown. This work showed that a population of the AMF Glomus intraradices harbours very high genetic diversity. We concluded that host plants rather than geographic differentiation were responsible for this diversity. Furthermore, we investigated whether recombination occurred among genotypes of a G. intraradices population. The identification of a core group of recombining genotypes in the population refutes the assumption of ancient asexuality in AMF. We found that genetically different isolates can form hyphal fusions and exchange nuclei. The hybrid progeny produced by the exchange was viable and phenotypically distinct from the parental isolates. Taken together, this work provided evidence for key events in the AMF life cycle, that influence the evolution of multiple genomes. Studying the consequences of these events on the interaction with host plants may significantly further the understanding of the AMF-plant symbiosis.

Weights in the balance: jasmonic acid and salicylic acid signaling in root-biotroph interactions.

Work on the interaction of aerial plant parts with pathogens has identified the signaling molecules jasmonic acid (JA) and salicylic acid (SA) as important players in induced defense of the plant against invading organisms. Much less is known about the role of JA and SA signaling in root infection. Recent progress has been made in research on plant interactions with biotrophic mutualists and parasites that exclusively associate with roots, namely arbuscular mycorrhizal and rhizobial symbioses on one hand and nematode and parasitic plant interactions on the other hand. Here, we review these recent advances relating JA and SA signaling to specific stages of root colonization and discuss how both signaling molecules contribute to a balance between compatibility and defense in mutualistic as well as parasitic biotroph-root interactions.