Significant genetic and phenotypic changes arising from clonal growth of a single spore of an arbuscular mycorrhizal fungus over multiple generations.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are highly successful plant symbionts. They reproduce clonally producing multinucleate spores. It has been suggested that some AMF harbor genetically different nuclei. However, recent advances in sequencing the Glomus irregulare genome have indicated very low within-fungus polymorphism. We tested the null hypothesis that, with no genetic differences among nuclei, no significant genetic or phenotypic variation would occur among clonal single spore lines generated from one initial AMF spore. Furthermore, no additional variation would be expected in the following generations of single spore lines. Genetic diversity contained in one initial spore repeatedly gave rise to genetically different variants of the fungus with novel phenotypes. The genetic changes represented quantitative changes in allele frequencies, most probably as a result of changes in the frequency of genetic variation partitioned on different nuclei. The genetic and phenotypic variation is remarkable, given that it arose repeatedly from one clonal individual. Our results highlight the dynamic nature of AMF genetics. Even though within-fungus genetic variation is low, some is probably partitioned among nuclei and potentially causes changes in the phenotype. Our results are important for understanding AMF genetics, as well as for researchers and biotechnologists hoping to use AMF genetic diversity for the improvement of AMF inoculum.

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.

Effective exposure to solar UV in building workers: influence of local and individual factors.

Excessive exposure to solar UV light is the main cause of skin cancers in humans. UV exposure depends on environmental as well as individual factors related to activity. Although outdoor occupational activities contribute significantly to the individual dose received, data on effective exposure are scarce and limited to a few occupations. A study was undertaken in order to assess effective short-term exposure among building workers and characterize the influence of individual and local factors on exposure. The effective exposure of construction workers in a mountainous area in the southern part of Switzerland was investigated through short-term dosimetry (97 dosimeters). Three altitudes, of about 500, 1500 and 2500 m were considered. Individual measurements over 20 working periods were performed using Spore film dosimeters on five body locations. The postural activity of workers was concomitantly recorded and static UV measurements were also performed. Effective exposure among building workers was high and exceeded occupational recommendations, for all individuals for at least one body location. The mean daily UV dose in plain was 11.9 SED (0.0-31.3 SED), in middle mountain 21.4 SED (6.6-46.8 SED) and in high mountain 28.6 SED (0.0-91.1 SED). Measured doses between workers and anatomical locations exhibited a high variability, stressing the role of local exposure conditions and individual factors. Short-term effective exposure ranged between 0 and 200% of ambient irradiation, indicating the occurrence of intense, subacute exposures. A predictive irradiation model was developed to investigate the role of individual factors. Posture and orientation were found to account for at least 38% of the total variance of relative individual exposure, and were also found to account more than altitude on the total variance of effective daily exposures. Targeted sensitization actions through professional information channels and specific prevention messages are recommended. Altitude outdoor workers should also benefit from preventive medical examination.

The arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices is haploid and has a small genome size in the lower limit of eukaryotes.

The genome size, complexity, and ploidy of the arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) Glomus intraradices was determined using flow cytometry, reassociation kinetics, and genomic reconstruction. Nuclei of G. intraradices from in vitro culture, were analyzed by flow cytometry. The estimated average length of DNA per nucleus was 14.07+/-3.52 Mb. Reassociation kinetics on G. intraradices DNA indicated a haploid genome size of approximately 16.54 Mb, comprising 88.36% single copy DNA, 1.59% repetitive DNA, and 10.05% fold-back DNA. To determine ploidy, the DNA content per nucleus measured by flow cytometry was compared with the genome estimate of reassociation kinetics. G. intraradices was found to have a DNA index (DNA per nucleus per haploid genome size) of approximately 0.9, indicating that it is haploid. Genomic DNA of G. intraradices was also analyzed by genomic reconstruction using four genes (Malate synthase, RecA, Rad32, and Hsp88). Because we used flow cytometry and reassociation kinetics to reveal the genome size of G. intraradices and show that it is haploid, then a similar value for genome size should be found when using genomic reconstruction as long as the genes studied are single copy. The average genome size estimate was 15.74+/-1.69 Mb indicating that these four genes are single copy per haploid genome and per nucleus of G. intraradices. Our results show that the genome size of G. intraradices is much smaller than estimates of other AMF and that the unusually high within-spore genetic variation that is seen in this fungus cannot be due to high ploidy.

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.

Plant and arbuscular mycorrhizal fungal diversity - are we looking at the relevant levels of diversity and are we using the right techniques?

Fungal symbionts commonly occur in plants influencing host growth, physiology, and ecology (Carlile et al., 2001). However, while whole-plant growth responses to biotrophic fungi are readily demonstrated, it has been much more difficult to identify and detect the physiological mechanisms responsible. Previous work on the clonal grass Glyceria striata has revealed that the systemic fungal endophyte Epichloë glyceriae has a positive effect on clonal growth of its host (Pan & Clay, 2002; 2003). The latest study from these authors, in this issue (pp. 467- 475), now suggests that increased carbon movement in hosts infected by E. glyceriae may function as one mechanism by which endophytic fungi could increase plant growth. Given the widespread distribution of both clonal plants and symbiotic fungi, this research will have implications for our understanding of the ecology and evolution of fungus-plant associations in natural communities.

The cdc7 protein kinase is a dosage dependent regulator of septum formation in fission yeast.

Mutation of the Schizosaccharomyces pombe cdc7 gene prevents formation of the division septum and cytokinesis. We have cloned the cdc7 gene and show that it encodes a protein kinase which is essential for cell division. In the absence of cdc7 function, spore germination, DNA synthesis and mitosis are unaffected, but cells are unable to initiate formation of the division septum. Overexpression of p120cdc7 causes cell cycle arrest; cells complete mitosis and then undergo multiple rounds of septum formation without cell cleavage. This phenotype, which is similar to that resulting from inactivation of cdc16 protein, requires the kinase activity of p120cdc7. Mutations inactivating the early septation gene, cdc11, suppress the formation of multiple septa and allow cells to proliferate normally. If formation of the division septum is prevented by inactivation of either cdc14 or cdc15, p120cdc7 overproduction does not interfere with other events in the mitotic cell cycle. Septation is not induced by overexpression of p120cdc7 in G2 arrested cells, indicating that it does not bypass the normal dependency of septation upon initiation of mitosis. These findings indicate that the p120cdc7 protein kinase plays a key role in initiation of septum formation and cytokinesis in fission yeast and suggest that p120cdc7 interacts with the cdc11 protein in the control of septation.

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.

Pollution stress on aquatic microbial communities

Thousands of chemical compounds enter the natural environment but many have unknown effects and consequences, in particular at low concentrations. This thesis work contributes to our understanding of pollution effects by using bacteria as test organisms. Bacteria are important for this question because some of them degrade and transform pollutants into less harmful compounds, but secondly because they themselves can be inhibited in their reproduction by exposure to toxic compounds. When inhibitory effects occur this may change the composition of the microbial com¬munity in the long run, leading to altered or diminished ecosystem services by those communities. As a result chemicals of anthropogenic origin may accumulate and per¬sist in the environment, and finally, affect higher organisms as well. In addition to acquiring basic understanding of pollutant effects at low concentrations on bacterial communities an applied goal of this thesis work was to develop bacteria-based tests to screen new organic chemicals for toxicity and biodégradation. In the first part of this work we developed a flow cytometry-based assay on SYT09 plus ethidium-bromide or propidium-iodide stained cells of Pseudomonas ûuorescens exposed or not to a variety of pollutants under oligotrophic growth conditions. Flow cytometry (FC) allows fast and accurate counting of bacterial cells under simul¬taneous assessment of their physiological state, in particular in combination with different fluorescent dyes. Here we employed FC and fluorescent dyes to monitor the effect that pollutants may exert on Pseudomonas ûuorescens SV3. First we designed an oligotrophic growth test, which enabled us to follow population growth at low densities (104 - 10 7 cells per ml) using 0.1 mM sodium acetate as carbon source. Cells in the oligotrophic milieu were then exposed or not to a variety of common pollutants, such as 2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalene (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), mercury chloride (HgCl2) or benzene, in different dosages. Exposed culture samples were stained with SYT09 (green fluorescent dye binding nucleic acids, generally staining all cells) in combination with propidium iodide (PI) or ethidium bromide (EB), both dyes being membrane integrity indicators. We ob- served that most of the tested compounds decreased population growth in a dosage- dependent manner. SYT09/PI or SYT09/EB staining then revealed that chemical exposure led to arisal of subpopulations of live and injured or dead cells. By modeling population growth on the total cell numbers in population or only the subpopulation of live cells we inferred that even in stressed populations live cells multiply at rates no different to unexposed controls. The net decrease in population growth would thus be a consequence of more and more cells being not able to multiply at all, rather than all cells multiplying at slower rates. In addition, the proportion of injured cells correlated to the compound dosage. We concluded that the oligotrophic test may be useful to asses toxicity of unknown chemicals on a variety of model bacteria. Mul¬tiple tests can be run in parallel and effects are rapidly measured within a period of 8 hours. Interestingly, in the same exposure tests with P. fluorescens SV3 we observed that some chemicals which did not lead to a reduction of net population growth rates did cause measurable effects on live cells. This was mainly observed in cells within the live subpopulation as an increase of the EB fluorescence signal. We showed that SYT09/EB is a more useful combination of dyes than SYT09/PI because PI fluorescence tend to increase only when cells are effectively dead, but not so much in live cells (less then twofold). In contrast, EB geometric mean fluorescence in live cells increased up to eightfold after exposure to toxic compounds. All compounds even at the lowest concentration caused a measurable increase in EB geometric mean fluorescence especially after 2 h incubation time. This effect was found to be transient for cells exposed to 2CBP and 4CP, but chronic for cells incubated with TD and NAH (ultimately leading to cell death). In order to understand the mechanism underlying the observed effects we used known membrane or energy uncouplers. The pattern of EB signal increase in chemical-exposed populations resembled mostly that of EDTA, although EB fluorescence in EDTA-treated or pasteurized cells was even higher than after exposure to the four test chemicals. We conclude that the ability of cells to efflux EB under equilibrium conditions is an appropriate measure for the potential of a chemical to exert toxicity. Since most bacterial species possess efflux systems for EB that all require cellular energy, our test should be more widely relevant to infer toxicity effects of chemical exposure on the physiological status of the bacterial cell. To better understand the effect of toxicant exposure on efflux defense systems, we studied 2-hydroxybiphenyl toxicity to Pseudomonas azeiaica HBP1. We showed that 2-HBP exerts toxicity even to P. azelaica HBP1, but only at concentrations higher than 0.5 mM. Above this concentration transient loss of membrane polarization and integrity occurred, which we conclude from staining of growing cells with fluorescent dyes. Cells finally recover and resume growth on 2HBP. The high resistance of P. azelaica HBP1 to 2-HBP was found to be the result of an efficient MexABOprM- type efflux pump system counteracting passive influx of this compound into the membrane and cellular interior. Mutants with disrupted mexA, mexB and oprM genes did no longer grow on 2-HBP at concentrations above 100 μΜ, whereas below this concentration we found 2-HBP-concentration dependent decrease of growth rate. The MexAB-OprM system in P. azeiaica HBP1 is indeed an efflux pump for ethidium bromide as well. By introducing gfp reporter fusions responsive to intracellular 2- HBP concentrations into HBP1 wild-type or the mutants we demonstrated that 2HBP enters into the cells in a similar way. In contrast, the reporter system in the wild-type cells does not react to 2-HBP at an outside concentration of 2.4 μΜ, whereas in mutant cells it does. This suggests that wild-type cells pump 2-HBP to the outside very effectively preventing accumulation of 2-HBP. 2HBP metabolism, therefore, is not efficient enough to lower the intracellular concentration and prevent toxicity. We conclude that P. azelaica HBP1 resistance to 2-HBP is mainly due to an efficient efflux system and that 2HBP in high concentrations exerts narcotic effects on the bacterial membrane. In the part of this thesis, we investigated the possibilities of bacteria to degrade pollutants at low concentrations (1 mg per L and below). As test components we used 2-hydroxybiphenyl, antibiotics and a variety of fragrances, many of which are known to be difficult to biodegrade. By using accurate counting of low numbers of bacterial cells we could demonstrate that specific growth on these compounds is possible. We demonstrated the accuracy of FC counting at low cell numbers (down to 103 bacterial cells per ml). Then we tested whether bacterial population growth could be specifically monitored at the expense of low substrate concentrations, us¬ing P. azelaica HBP1. A perfect relationship was found between growth rate, yield and 2-HBP concentrations in the range of 0.1 up to 5 mg per L. Mixing P. azelaica within sludge, however, suggested that growth yields in a mixed community can be much lower than in pure culture, perhaps because of loss of metabolic intermediates. We then isolated new strains from activated sludge using 2-HBP or antibiotics (Nal, AMP, SMX) at low concentrations (0.1-1 mg per L) as sole carbon and energy sub¬strate and PAO microdishes. The purified strains were then examined for growth on their respective substrate, which interestingly, showed that all strains can not with¬stand higher than 1 or 10 mg per L concentrations of target substrate. Thus, bacteria must exist that contribute to compound degradation at low pollutant concentrations but are inhibited at higher concentrations. Finally we tested whether specific biomass growth (in number of cells) at the expense of pollutants can also be detected with communities as starting material. Hereto, we focused on a number of fragrance chemicals and measured community biomass increase by flow cytometry cell counting on two distinct starter communities: (i) diluted Lake Geneva water, and dilute activated sludge from a wastewater treatment plant. We observed that most of the test compounds indeed resulted in significant biomass increase in the starter community compared to a no-carbon added control, but activated sludge and lake Geneva water strongly differed (almost mutually ex¬clusive) in their capacity to degrade the test chemicals. In two cases for activated sludge the same type of microbial community developed upon compound exposure, as concluded from transcription fragment length polymorphism analysis on community purified and PCR amplified 16S rRNA gene fragments. To properly test compound biodegradability it is thus important to use starter communities of different origin. We conclude that FC counting can be a valuable tool to screen chemicals for their biodegradability and toxicity. - Des milliers de produits chimiques sont libérés dans l'environnement mais beaucoup ont des effets inconnus, en particulier à basses concentrations. Ce travail de thèse contribue à notre comprehension des effets de la pollution en utilisant des bacteries comme des organismes-tests. Les bacteries sont importantes pour etudier cette ques¬tion car certaines d'entre elles peuvent degrader ou transformer les polluants, mais également parce qu'elles-mmes peuvent tre inhibees dans leur reproduction après avoit ete exposees à ces composes toxiques. Quand des effets inhibiteurs ont lieu, la composition de la communauté microbienne peut tre changee à long terme, ce qui mène à une reduction du service d'ecosystème offert par ces communautés. En consequence, après leur liberation dans l'environnement, les produits chimiques d'origine anthropogenique peuvent soit s'y accumuler et per¬sister, exerant ainsi des effets encore inconnus sur les organismes vivants. En plus d'acquérir des connaissances de base sur les effets des polluants à basses concentra¬tions sur les communautés microbiennes, un but applique de cette thèse était de développer des tests bases sur les bacteries afin d'identifier de nouveau composes pour leur toxicité ou leur biodégradation. Dans la première partie de ce travail, nous avons developpe un test base sur la cytometrie de flux (FC) sur des cellules de Pseudomonas fluorescens colorees par du bromure d'ethidium ou de l'iodure de propidium et exposees ou non à une palette de polluants sous des conditions de croissance oligotrophique. La cytometrie de flux est une technique qui connaît de nombreuses applications dans la microbiologie environ¬nementale. Cela est principalement du au fait qu'elle permet un comptage rapide et precis ainsi que l'évaluation de l'état physiologique, en particulier lorsqu'elle est combinée h des colorations fluorescentes. Ici, nous avons utilise la technique FC et des colorants fluorescents afin de mesurer l'effet que peuvent exercer certains pollu¬ants sur Pseudomonas ûuorescens SV3 . D'abord nous avons conu des tests oligo- trophiques qui nous permettent de suivre la croissance complète de cellules en culture h des densites faibles (104 -10 7 cellules par ml), sur de l'acetate de sodium à 0.1 mM, en presence ou absence de produits chimiques (2-chlorobiphenyl (2CBP), naphthalène (NAH), 4-chlorophenol (4CP), tetradecane (TD), chlorure de mercure(II) (HgCl2)) à différentes concentrations. Afin de montrer le devenir des bacteries tant au niveau de la cellule individuelle que celui de la population globale, après exposition à des series de composes chimiques, nous avons compte les cellules colorees avec du SYT09 (col¬orant fluorescent vert des acides nucléiques pour la discrimination des cellules par rapport au bruit de fond) en combinaison avec l'iodure de propidium (PI) ou le bromure d'ethidium (EB), indicateurs de l'intégrité de la membrane cellulaire avec FC. Nous avons observe que de nombreux composes testes avaient un effet sur la croissance bacterienne, resultant en une baisse du taux de reproduction de la pop¬ulation. En outre, la double coloration que nous avons utilisee dans cette etude SYT09/PI ou SYT09/EB a montre que les produits chimiques testes induisaient une reponse heterogène des cellules dans la population, divisant celle-ci en sous- populations "saine", "endommagee" ou "morte". Les nombres de cellules à partir du comptage et de la proportion de celles "saines" et "endommagees/mortes" ont ensuite ete utilises pour modeliser la croissance de P. ûuorescens SV3 exposee aux produits chimiques. La reduction nette dans la croissance de population est une consequence du fait que de plus en plus de cellules sont incapables de se reproduire, plutt que du fait d'une croissance plus lente de l'ensemble de la population. De plus, la proportion de cellules endommagees est correllee au dosage du compose chimique. Les résultats obtenus nous ont permis de conclure que le test oligotrophique que nous avons developpe peut tre utilise pour l'évaluation de la toxicité de produits chimiques sur différents modèles bacteriens. Des tests multiples peuvent tre lances en parallèle et les effets sont mesures en l'espace de huit heures. Par ailleurs, nous en déduisons que les produits chimiques exercént un effet sur la croissance des cellules de P. ûuorescens SV3, qui est heterogène parmi les cellules dans la population et depend du produit chimique. Il est intéressant de noter que dans les mmes tests d'exposition avec P. ûuorescens SV3, nous avons observe que certains composes qui n'ont pas conduit à une reduction du taux de la croissance nette de la population, ont cause des effets mesurables sur les cellule saines. Ceci a ete essentiellement observe dans la portion "saine" des cellules en tant qu'augmentation du signal de la fluorescence de 1ΈΒ. D'abord nous avons montre que SYT09/EB était une com¬binaison de colorants plus utile que celle de SYT09/PI parce que la fluorescence du PI a tendance à augmenter uniquement lorsque les cellules sont effectivement mortes, et non pas dans les cellules saines (moins de deux fois plus). Par opposi¬tion, la fluorescence moyenne de l'EB dans les cellules saines augmente jusqu'à huit fois plus après exposition aux composes toxiques. Tous les composes, mme aux plus basses concentrations, induisent une augmentation mesurable de la fluorescence moy¬enne de 1ΈΒ, plus particulièrement après deux heures d'incubation. Cet effet s'est revele tre transitoire pour les cellules exposees aux 2CNP et 4CP, mais est chro¬nique pour les cellules incubees avec le TD et le NAH (entranant la mort cellulaire). Afin de comprendre les mécanismes qui sous-tendent les effets observes, nous avons utilise des decoupleurs d'energie ou de membrane. L'augmentation du signal EB dans les populations causee par des produits chimiques ressemblait à celle exerce par le chelateur des ions divalents EDTA. Cependant, les intensités du signal EB des cellules exposees aux produits chimiques testees n'ont jamais atteint les valeurs des cellules traitees avec l'EDTA ou pasteurises. Nous en concluons que le test oli- gotrophique utilisant la coloration (SYT09/)EB des cellules exposees ou non à un produit chimique est utile afin d'evaluer l'effet toxique exerce par les polluants sur la physiologie bacterienne. Afin de mieux comprendre la reaction d'un système de defense par pompe à efflux après exposition à une toxine, nous avons étudié la toxicité du 2-hydroxybiphenyl (2-HBP) sur Pseudomonas azeiaica HBP1. Nous avons montre que le 2-HBP exerce une toxicité mme sur HBP1, mais uniquement à des concentrations supérieures à 0.5 mM. Au-dessus de cette concentration, des pertes transitoires d'intégrité et de polarization membranaire ont lieu, comme cela nous a ete montre par coloration des cellules en croissance. Les cellules sont finalement capables de se rétablir et de reprendre leur croissance sur 2-HBP. La forte resistance de P. azeiaica HBP1 h 2-HBP physiologie bacterienne s'est revele tre le résultat d'un système de pompe h efflux de type MexABOprM qui contre-balance l'influx passif de ce compose h travers la membrane. Nous avons montre, en construisant des mutants avec des insertions dans les gènes mexA, mexB and oprM et des fusions avec le gène rapporteur gfp, que l'altération de n'importe quelle partie du système d'efflux conduisait à accroître l'accumulation de 2-HBP dans la cellule, en comparaison avec la souche sauvage HBP1, provoquant une diminution de la resistance au 2-HBP ainsi qu'une baisse du taux de reproduction des cellules. Des systèmes d'efflux similaires sont répandus chez de nombreuses espèces bactériennes. Ils seraient responsables de la resistance aux produits chimiques tels que les colorants fluorescents (bromure d'ethidium) et des antibiotiques. Nous concluons que la resistance de P. azelaica HBP1 à 2-HBP est principalement due à un système d'efflux efficace et que 2-HBP, à des concentrations elevees, exerce un effet deletère sur la membrane bacterienne. En se basant sur le comptage des cellules avec la FC, nous avons developpe ensuite une methode pour evaluer la biodegradabilite de polluants tels que le 2-HBP ainsi que les antibiotiques (acide nalidixique (Nal), ampicilline (AMP) ou sulfamethoxazole (SMX)) à de faibles concentrations lmg par L et moins), par le suivi de la croissance spécifique sur le compose de cultures microbiennes pures et mixtes. En utilisant un comptage precis de faibles quantités de cellules nous avons pu demontrer que la croissance spécifique sur ces composes est possible. Nous avons pu illustrer la precision du comptage par cytometrie de flux à faible quantité de cellules (jusqu'à 10 3 cellules par ml). Ensuite, nous avons teste s'il était possible de suivre dynamiquement la croissance de la population de cellules sur faibles concentrations de substrats, en utilisant P. azelaica HBP1. Une relation parfaite a ete trouvee entre le taux de croissance, le rendement et les concentrations de 2-HBP (entre 0.1 et 5 mg par L). En mélangeant HBP1 à de la boue active, nous avons pu montrer que le rendement en communauté mixtes pouvait tre bien inférieur qu'en culture pure. Ceci étant peut tre le résultat d'une perte d'intermédiaires métaboliques. Nous avons ensuite isole de nouvelles souches à partir de la boue active en utilisant le 2-HBP ou des antibiotiques (Nal, AMP, SMX) h basses concentrations (0.1-1 mg par L) comme seules sources de carbone et d'energie. En combinaison avec ceci, nous avons également utilise des microplaques PAO. Les souches purifiees ont ensuite ete examinees pour leurs croissances sur leurs substrats respectifs. De faon intéressante, toutes ces souches ont montre qu'elles ne pouvaient pas survivre à des concentrations de substrats supérieures à 1 ou 10 mg par L. Ainsi, il existe des bacteries qui contribuent à la degradation de composes à basses concentrations de polluant mais sont inhibes lorsque ces concentrations deviennent plus hautes. Finalement, nous avons cherche à savoir s'il est possible de detecter une croissance spécifique à une biomasse au depend d'un polluant, en partant d'une communauté microbienne. Ainsi, nous nous sommes concentre sur certains composes et avons mesure l'augmentation de la biomasse d'une communauté grce à la cytometrie de flux. Nous avons compte deux communautés de depart distinctes: (i) une dilution d'eau du Lac Léman, et une dilution de boue active d'une station d'épuration. Nous avons observe que la plupart des composes testes ont entrane une augmentation de la biomasse de depart par rapport au control sans addition de source de carbone. Néanmoins, les échantillons du lac Léman et de la station d'épuration différaient largement (s'excluant mutuellement l'un l'autre) dans leur capacité à degrader les composes chimiques. Dans deux cas provenant de la station d'épuration, le mme type de communauté microbienne s'est developpe après exposition aux composes, comme l'a démontré l'analyse TRFLP sur les fragments d'ARN 16S purifie de la communauté et amplifie par PCR. Afin de tester correctement la biodegradabilite d'un compose, il est donc important d'utiliser des communautés de depart de différentes origines Nous en concluons que le comptage par cytometrie de flux peut tre un outil de grande utilité pour mettre en valeur la biodegradabillite et la toxicité des composes chimiques.

Climate and vegetation history of western Portugal inferred from Albian near-shore deposits (Gale Formation, Lusitanian Basin)

The late Early Cretaceous greenhouse climate has been studied intensively based on proxy data derived essentially from open marine archives. In contrast, information on continental climatic conditions and on the accompanying response of vegetation is relatively scarce, most notably owing to the stratigraphic uncertainties associated with many Lower Cretaceous terrestrial deposits. Here, we present a palynological record from Albian near-shore deposits of the Lusitanian Basin of W Portugal, which have been independently dated using Sr-isotope signals derived from low-Mg oyster shell calcite. Sr-87/Sr-86 values fluctuate between 0.707373 +/- 0.00002 and 0.707456 +/- 0.00003; absolute values and the overall stratigraphic trend match well with the global open marine seawater signature during Albian times. Based on the new Sr-isotope data, existing biostratigraphic assignments of the succession are corroborated and partly revised. Spore-pollen data provide information on the vegetation community structure and are flanked by sedimentological and clay mineralogical data used to infer the overall climatic conditions prevailing on the adjacent continent. Variations in the distribution of climate-sensitive pollen and spores indicate distinct changes in moisture availability across the studied succession with a pronounced increase in hygrophilous spores in late Early Albian times. Comparison with time-equivalent palynofloras from the Algarve Basin of southern Portugal shows pronounced differences in the xerophyte/hygrophyte ratio, interpreted to reflect the effect of a broad arid climate belt covering southern and southeastern Iberia during Early Albian times.

Diversity and structure of AMF communities as affected by tillage in a temperate soil.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) were studied in differently tilled soils from a long-term field experiment in Switzerland. Diversity and structure of AMF communities were surveyed either directly on spores isolated from the field soil or on spores isolated from trap cultures, planted with different host plants. Single-spore cultures were established from the AMF spores obtained from trap cultures. Identification of the AMF was made by observation of spore morphology and confirmed by sequencing of ITS rDNA. At least 17 recognised AMF species were identified in samples from field and/or trap cultures, belonging to five genera of AMF--Glomus, Gigaspora, Scutellospora, Acaulospora, and Entrophospora. Tillage had a significant influence on the sporulation of some species and non- Glomus AMF tended to be more abundant in the no-tilled soil. The community structure of AMF in the field soil was significantly affected by tillage treatment. However, no significant differences in AMF diversity were detected among different soil tillage treatments. AMF community composition in trap cultures was affected much more by the species of the trap plant than by the original tillage treatment of the field soil. The use of trap cultures for fungal diversity estimation in comparison with direct observation of field samples is discussed.

Organisation of genetic variation in multinucleate arbuscular mycorrhizal fungi

Les Champignons Endomycorhiziens Arbusculaires (CEA) forment une symbiose racinaire avec environ 80% des espèces connues de plantes vasculaires. Ils occupent une position écologique très importante liée aux bénéfices qu'ils confèrent aux plantes. Des études moléculaires effectuées sur des gènes ribosomaux ont révélé un très grand polymorphisme, tant à l'intérieur des espèces qu'entre celles-ci. Ces champignons étant coenocytiques et multinucléés, l'organisation de cette variabilité génétique intraspécifique pourrait avoir différentes origines. Ce travail se propose d'examiner l'organisation et l'évolution de cette variabilité. Sur la base de fossiles, l'existence des CEA remonte à au moins 450 millions d'années. Cette symbiose peut donc être considérée comme ancienne. Les premières données moléculaires n'indiquant pas de reproduction sexuée, une hypothèse fut élaborée stipulant que les CEA seraient des asexués ancestraux. La première partie de cette thèse (chapitre 2) met en évidence l'existence de recombinaison dans différents CEA mais montre également que celle-ci est insuffisante pour purger les mutations accumulées. La reproduction étant essentiellement asexuée, on peut prédire que les nombreux noyaux ont probablement divergé génétiquement. En collaboration avec M. Hijri nous avons pu vérifier cette hypothèse (chapitre 2). Dans le chapitre 3 j'ai cherché à comprendre si le polymorphisme était également présent dans une population naturelle du CEA Glomus intraradices au niveau intraspécifique, ce qui n'avait encore jamais été examiné. En comparant les empreintes génétiques d'individus obtenus chacun à partir d'une spore mise en culture, j'ai clairement démontré que d'importantes différences génétiques existent entre ceux-ci. Un résultat similaire, portant sur des traits quantitatifs d'individus de la même population, a été trouvé par A. Koch. Les deux études en ensemble montre que le polymorphisme génétique dans cette population est suffisamment grand pour être important au niveau écologique. Dans le chapitre 4, j'ai cherché a examiner le polymorphisme des séquences du gène BiP au sein d'un individu. C'est la première étude qui examine la diversité génétique du génome de CEA avec un autre marqueur que l'ADN ribosomique. J'ai trouvé 31 types de séquences différentes du gène BiP issu d'un isolat de G. intraradices mis en culture à partir d'une seule spore. Cette variation n'était pas restreinte à des zones sélectivement neutres du BiP. Mes résultats montrent qu'il y a un grand nombre de variants non-fonctionnels, proportionnellement au faible nombre de copies attendues par noyau. Ceci va dans le sens d'une partition de l'information génétique entre les noyaux.<br/><br/>Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root symbionts with about 80% of all known species of vascular land plants. AMF are ecologically important because of the benefits that they confer to plants. Molecular studies on AMF showed that rDNA sequences were highly variable between species and within species. Because AMF are coenocytic and multinucleate there are several possibilities how this intraspecific genetic variation could be organized. Therefore, the organization and evolution of this variation in AMF were investigated in the present work. Based on fossil records the AMF symbiosis has existed for 450 Million years and is therefore considered ancient. First molecular data indicated no evident sexual reproduction and gave rise to the hypothesis that AMF might be ancient asexuals. The first part of this thesis (Chapter 2) shows evidence for recombination in different AMF but also indicates that it has not been frequent enough to purge accumulated mutations. Given asexual reproduction, it has been predicted that the many nuclei in AMF should diverge leading to genetically different nuclei. This hypothesis has been confirmed by an experiment of M. Hijri and is also included in chapter 2 as the results were published together. In chapter 3 I then investigated whether intraspecific genetic variation also exists in a field population of the AMF Glomus intraradices. Comparing genetic fingerprints of individuals derived from single spores I could clearly show that large genetic differences exist. A similar result, based on quantitative genetic traits, was found for the same population by A. Koch. The two studies taken together show that the genetic variation observed in the population is high enough to be of ecological relevance. Lastly, in chapter 4, I investigated within individual genetic variation among BiP gene sequences. It is the first study that has analyzed genetic diversity in the AMF genome in a region of DNA other than rDNA. I found 31 sequence variants of the BiP gene in one G. intraradices isolate that originated from one spore. Genetic variation was not only restricted to selectively neutral parts of BiP. A high number of predicted non-functional variants compared to a likely low number of copies per nucleus indicated that functional genetic information might even be partitioned among nuclei. The results of this work contribute to our understanding of potential evolutionary strategies of ancient asexuals, they also suggest that genetic differences in a population might be ecologically relevant and they show that this variation even occurs in functional regions of the AMF genome.