Efficacité d'espèces ligneuses en symbiose mycorhizienne arbusculaire pour la phytoremédiation d'un site urbain contaminé

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Extent of intra-isolate genetic polymorphism in glomus etunicatum using a molecular genetic approach

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude comparative des propagules extraracinaires et intraracinaires du champignon mycorhizien Glomus irregulare

La germination des spores est une étape essentielle dans le cycle de vie de la majorité des champignons filamenteux. Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un certain nombre de propagules infectieuses différentes qui augmentent leur potentiel à coloniser les racines. Parmi elles se trouvent les spores extraracinaires et intraracinaires. La paroi cellulaire des spores joue un rôle majeur dans la survie de ces propagules en étant une barrière physique et osmotique. Puisque une cellule peut faire des ajustements considérables dans la composition et la structure de sa paroi, en réponse aux conditions environnementales, il est possible que les parois des spores intraracinaires et extraracinaires montrent des propriétés mécaniques et osmotiques différentes affectant leur germination et leur survie. Pourtant, contrairement à la connaissance de la génétique moléculaire et de la formation de la paroi cellulaire des CMA, peu d’information est disponible au sujet de ces propriétés mécaniques. Les informations sur la germination des CMA dans des conditions hypertoniques sont aussi rares, et les modèles expérimentaux ne séparent généralement pas les effets directs de la forte pression osmotique externe sur la germination des champignons et les effets attribuables aux plantes. Cette étude avait pour but de répondre à deux importantes séries de questions concernant le comportement des spores mycorhiziennes. Nous avons d'abord déterminé la relation entre la composition de la paroi cellulaire, la structure et les propriétés mécaniques du champignon modèle Glomus irregulare (isolat DAOM 197198). La micro-indentation a été utilisée pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. La composition (contenu de chitine et de glomaline) de la paroi cellulaire a été quantifiée par immunofluorescence tandis que la microscopie optique a été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la paroi cellulaire. La densité locale en glomaline et l’épaisseur de la paroi étaient significativement plus élevées pour les parois des spores extraracinaires alors que la densité locale en chitine et la rigidité n’ont pas montré de variations entre les spores extraracinaires et intraracinaires. La grande variabilité dans les paramètres étudiés nous a empêchés de cibler un facteur principal responsable de la force totale de la paroi lors de la compression. La diminution des concentrations de chitine et de glomaline a été corrélée à l'évolution de la paroi du champignon au cours de son cycle de vie. On a aussi observé une composition différentielle des couches de la paroi: les polymères de chitine et de glomaline furent localisés principalement dans les couches externes et internes de la paroi, respectivement. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons exploré les effets directs d'engrais, par rapport à leur activité de l'eau (aw), sur la germination des spores et la pression de turgescence cellulaire. Les spores ont été soumises à trois engrais avec des valeurs de aw différentes et la germination ainsi que la cytorrhyse (effondrement de la paroi cellulaire) des spores ont été évaluées après différents temps d'incubation. Les valeurs de aw des engrais ont été utilisées comme indicateurs de leurs pressions osmotiques. L'exposition des spores de Glomus irregulare au choc osmotique causé par les engrais dont les valeurs de aw se situent entre 0,982 et 0,882 a provoqué des changements graduels au niveau de leur cytorrhyse et de leur germination. Avec l'augmentation de la pression de turgescence externe, la cytorrhyse a augmenté, tandis que le taux de germination a diminué. Ces effets ont été plus prononcés à des concentrations élevées en éléments nutritifs. La présente étude, bien qu’elle constitue une étape importante dans la compréhension des propriétés mécaniques et osmotiques des spores de CMA, confirme également que ces propriétés dépendent probablement de plusieurs facteurs, dont certains qui ne sont pas encore identifiés.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

Développement des marqueurs moléculaires spécifiques pour l'identification et la quantification de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires en utilisant la PCR en temps réel

Les champignons mycorhizien à arbuscules (CMA) sont des organismes pouvant établir des symbioses avec 80% des plantes terrestres. Les avantages d'une telle symbiose sont de plus en plus caractérisés et exploités en agriculture. Par contre, jusqu'à maintenant, il n'existe aucun outil permettant à la fois l'identification et la quantification de ces champignons dans le sol de façon fiable et rapide. Un tel outil permettrait, entre autres, de mieux comprendre les dynamiques des populations des endomycorhizes dans le sol. Pour les producteurs d'inoculum mycorhiziens, cela permettrait également d'établir un suivi de leurs produits en champs et d'avoir un contrôle de qualité de plus sur leurs inoculants. C'est ce que nous avons tenté de développer au sein du laboratoire du Dr. Hijri. Depuis environ une trentaine d'années, des outils d'identification et/ou de quantification ont été développés en utilisant les profiles d'acides gras, les isozymes, les anticorps et finalement l'ADN nucléaire. À ce jour, ces méthodes d’identification et de quantification sont soit coûteuses, soit imprécises. Qui plus est, aucune méthode ne permet à la fois la quantification et l’identification de souches particulières de CMA. L’ADN mitochondrial ne présente pas le même polymorphisme de séquence que celui qui rend l’ADN nucléaire impropre à la quantification. C'est pourquoi nous avons analysé les séquences d’ADN mitochondrial et sélectionné les régions caractéristiques de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). C’est à partir de ces régions que nous avons développé des marqueurs moléculaires sous forme de sondes et d’amorces TaqMan permettant de quantifier le nombre de mitochondries de chacune de ces espèces dans un échantillon d’ADN. Nous avons ensuite tenté de déterminer une unité de quantification des CMA, soit un nombre de mitochondries par spore. C’est alors que nous avons réalisé que la méthode de préparation des échantillons de spores ainsi que la méthode d’extraction d’ADN avaient des effets significatifs sur l’unité de quantification de base. Nous avons donc optimisé ces protocoles, avant d’en e tester l’application sur des échantillons de sol et de racines ayant été inoculés avec chacune des deux espèces cibles. À ce stade, cet outil est toujours semi-quantificatif, mais il permet 9 l’identification précise de deux espèces de CMA compétentes dans des milieux saturés en phosphore inorganique. Ces résultats , en plus d’être prometteurs, ont permis d’augmenter les connaissances méthodologiques reliées à la quantification des CMA dans le sol, et suggèrent qu’à cause de leurs morphologies différentes, l’élaboration d’un protocole de quantification standardisé pour toutes les espèces de CMA demeure un objectif complexe, qui demande de nouvelles études in vivo.

Cereal/legume rotations affect chemical properties and biological activities in two West African soils

A more widespread use of cereal/legume rotations has been suggested as a means to sustainably meet increasing food demands in sub-Saharan West Africa. Enhanced cereal yields following legumes have been attributed to chemical and biological factors such as higher levels of mineral nitrogen (Nmin) and arbuscular mycorrhizae (AM) but also to lower amounts of plant parasitic nematodes. This study was conducted under controlled conditions to examine the relative contribution of AM, plant parasitic nematodes and increased nitrogen (N) and phosphorus (P) availability to cereal/legume rotation effects on two West African soils. Sample soils were taken from field experiments at Gaya (Niger) and Fada (Burkina Faso) supporting continuous cereal and cereal/legume rotation systems and analysed for chemical and biological parameters. Average increases in cereal shoot dry matter (DM) of rotation cereals compared with continuous cereals were 490% at Gaya and 550% at Fada. Shoot P concentration of rotation millet was significantly higher than in continuous millet and P uptake in rotation cereals was on average 62.5-fold higher than in continuous cereals. Rotation rhizosphere soils also had higher pH at both sites. For the Fada soil, large increases in Bray1-P and organic P were observed in bulk and rhizosphere soils. Plant parasitic nematodes in roots of continuous cereals were 60–80-fold higher than in those of rotation cereals. In both cropping systems mycorrhizal infection rates were similar at 37 days after sowing (DAS) but at 57 DAS AM infection was 10–15% higher in rotation sorghum than in continuous sorghum. This study provides strong evidence that cereal/legume rotations can enhance P nutrition of cereals through improved soil chemical P availability and microbiologically increased P uptake.

Soil food web properties explain ecosystem services across European land use systems

Intensive land use reduces the diversity and abundance of many soil biota, with consequences for the processes that they govern and the ecosystem services that these processes underpin. Relationships between soil biota and ecosystem processes have mostly been found in laboratory experiments and rarely are found in the field. Here, we quantified, across four countries of contrasting climatic and soil conditions in Europe, how differences in soil food web composition resulting from land use systems (intensive wheat rotation, extensive rotation, and permanent grassland) influence the functioning of soils and the ecosystem services that they deliver. Intensive wheat rotation consistently reduced the biomass of all components of the soil food web across all countries. Soil food web properties strongly and consistently predicted processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations, and they were a better predictor of these processes than land use. Processes of carbon loss increased with soil food web properties that correlated with soil C content, such as earthworm biomass and fungal/bacterial energy channel ratio, and were greatest in permanent grassland. In contrast, processes of N cycling were explained by soil food web properties independent of land use, such as arbuscular mycorrhizal fungi and bacterial channel biomass. Our quantification of the contribution of soil organisms to processes of C and N cycling across land use systems and geographic locations shows that soil biota need to be included in C and N cycling models and highlights the need to map and conserve soil biodiversity across the world.

Inter-plant communication through mycorrhizal networks mediates complex adaptive behaviour in plant communities

Adaptive behaviour of plants, including rapid changes in physiology, gene regulation and defence response, can be altered when linked to neighbouring plants by a mycorrhizal network (MN). Mechanisms underlying the behavioural changes include mycorrhizal fungal colonization by the MN or interplant communication via transfer of nutrients, defence signals or allelochemicals. We focus this review on our new findings in ectomycorrhizal ecosystems, and also review recent advances in arbuscular mycorrhizal systems. We have found that the behavioural changes in ectomycorrhizal plants depend on environmental cues, the identity of the plant neighbour and the characteristics of the MN. The hierarchical integration of this phenomenon with other biological networks at broader scales in forest ecosystems, and the consequences we have observed when it is interrupted, indicate that underground ‘tree talk’ is a foundational process in the complex adaptive nature of forest ecosystems.

EVALUATION OF METAL TOXICITY BY A MODIFIED METHOD BASED ON THE FUNGUS GERRONEMA VIRIDILUCENS BIOLUMINESCENCE IN AGAR MEDIUM

Metal cation toxicity to basidiomycete fungi is poorly understood, despite its well-known importance in terrestrial ecosystems. Moreover, there is no reported methodology for the routine evaluation of metal toxicity to basidiomycetes. In the present study, we describe the development of a procedure to assess the acute toxicity of metal cations (Na(+), K(+), Li(+), Ca(2+), Mg(2+), Co(2+), Zn(2+), Ni(2+), Mn(2+), Cd(2+), and Cu(2+)) to the bioluminescent basidiomycete fungus Gerronema viridilucens. The method is based on the decrease in the intensity of bioluminescence resulting from injuries sustained by the fungus mycelium exposed to either essential or nonessential metal toxicants. The assay described herein enables LIS to propose a metal toxicity series to Gerronenia viridilucens based on data obtained from the bioluminescence intensity (median effective concentration [EC50] values) versus metal concentration: Cd(2+) > Cu(2+) > Mn(2+) approximate to Ni(2+) approximate to Co(2+) > Zn(2+) > Mg(2+) > Li(+) > K(+) approximate to Na(+) > Ca(2+), and to shed some li-ht on the mechanism of toxic action of metal cations to basidiomycete fungi. Environ. Toxicol. Chem. 2010;29:320-326. (C) 2009 SETAC

Efeito do fósforo, fumigação do substrato e fungo micorrízico arbuscular sobre o crescimento de plantas de mamoeiro

Estudou-se o efeito da inoculação com o fungo micorrízico arbuscular (FMA), Glomus macrocarpum, da fumigação do substrato e da adição de fósforo solúvel (60, 120, 240 e 480 mg kg-1 de P no solo) sobre as variáveis altura, número de folhas e diâmetro do caule de plantas de mamoeiro cv. Sunrise Solo.O FMA edoses crescentes de fósforo, isoladamente, exerceram efeitos significativos sobre essas variáveis. Não houve efeito significativo do fator fumigação do substrato. O efeito da inoculação foi mais acentuado no tratamento com adição de 60 mg kg-1 de P no solo. A inoculação com G. macrocarpum reduziu a necessidade de fósforo para o mamoeiro, tanto que as variáveis estudadas em plantas inoculadas na ausência de adubação fosfática não diferiram de plantas não inoculadas em substrato adicionado de mais de 240 mg kg-1 de P no solo.

Variáveis microbiológicas e produtividade do feijoeiro sob diferentes manejos do solo e calagem

O objetivo deste trabalho foi quantificar variáveis microbiológicas e produtividade do feijoeiro em razão do manejo do solo e da calagem. Parte de uma área cultivada há 20 anos em plantio direto (PD) foi submetida ao cultivo mínimo (CM), com escarificação a 0,25 m de profundidade, para incorporação do calcário. Os tratamentos consistiram de manejo do solo (PD e CM) e 0 e 2 t ha-1 de calcário dolomítico aplicadas na superfície, com quatro repetições. Os maiores valores de C da biomassa microbiana foram verificados no CM e os de C de CO2 liberado no PD sem calagem. A menor colonização micorrízica e a maior esporulação foram observadas no CM sem calagem. Não foram detectadas diferenças entre os tratamentos em relação à produção de matéria seca, enquanto na produtividade de grãos, o maior valor foi verificado no CM com calagem. É possível evitar a interrupção do PD com aplicação de calcário na superfície, visto que a incorporação do material de cobertura e a calagem pouco alteraram a estabilidade do sistema, conforme comprovado pelos valores estatísticos semelhantes de C do CO2 liberado e pelas pequenas diferenças observadas nas demais variáveis entre manejos.

Contribuição de fungos micorrízicos arbusculares autóctones no crescimento de Guazuma ulmifolia em solo de cerrado degradado

Ensaios foram conduzidos, em casa de vegetação, com solos de pastagem degradada reflorestada e cerrado preservado (controle) visando avaliar a contribuição de fungos micorrízicos arbusculares (FMA) autóctones no crescimento de mutambo (Guazuma ulmifolia Lamb.). As mudas foram transplantadas para sacos de plástico (2 kg) com substratos esterilizados na proporção 4:1 (solo:areia), e o tratamento inoculado recebeu 300 esporos de FMA por saco. A inoculação não proporcionou aumento significativo na produção da matéria seca da parte aérea, matéria fresca das raízes e altura da planta, sugerindo que a G. ulmifolia não é responsiva à micorrização.

Crescimento e micorrização de genótipos de milho em casa de vegetação

O trabalho foi desenvolvido em casa de vegetação com o objetivo de comparar o crescimento e a micorrização por fungos micorrízicos arbusculares (FMA) em nove genótipos de milho, além de verificar o potencial de inóculo de FMA do solo. Coletado de uma área de cerrado sensu stricto ocupada por pastagem degradada, o solo foi adubado, misturado com areia de rio, fumigado e colocado em sacos plásticos (3 kg). Foram semeadas cinco sementes de cada genótipo de milho em 20 sacos, mas apenas 10 receberam cerca de 300 esporos de FMA, coletados do solo de pastagem. Cada saco constituiu-se em uma repetição, com apenas uma planta. As avaliações de altura e diâmetro do caule foram realizadas aos 15, 30, 45 e 60 dias após a emergência, além de massa seca do sistema radicular (MSR) e parte aérea (MSPA), colonização micorrízica (COL) e dependência micorrízica (DM). Concomitantemente, um segundo experimento foi realizado para avaliar o potencial de inóculo de FMA do solo de pastagem, o qual passou por uma diluição seriada de 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% e 10%, incluindo apenas o solo não esterilizado (100%) e somente solo esterilizado (0%), em sacos plásticos, semeado o híbrido Tractor. Após 60 dias, as raízes foram colhidas para quantificar a colonização micorrízica. A inoculação de FMA acarretou incrementos na produção de matéria seca de forma diferenciada entre genótipos; com Condá, F0, D1 e F8 exibindo os maiores valores de MSPA, enquanto Tractor e D7 os menores valores de MSR. Os genótipos não responsivos ou pouco responsivos quanto à dependência micorrízica tiveram comportamento diferente quanto à COL, com Condá, Sol da Manhã, F0 e D1 proporcionando média de 60%. Verificou-se que a área de pastagem, mesmo degradada, propiciou alto potencial de inóculo, revelado pela alta porcentagem de colonização das raízes por FMA.

Restos vegetais e adubação nitrogenada na micorrização e produtividade do arroz de terras altas em sistema plantio direto

The objective of this research was to verify the influence of plant residues and the nitrogen fertilization in covering on the mycorrhization (colonization and number of spores of the arbuscular mycorrhizal fungi), and grain yield of upland rice grown under a no tillage system. The experiment was conducted at the Experimental Farm Station of Unesp/Ilha Solteira Campus, at Selviria (Mato Grosso do Sul State). In the main plots, the leguminous were tested: sun hemp (Crotalaria juncea L.), pigeon pea (Cajanus cajan L.) and velvet bean (Stizolobium aterrimum Piper & Tracy) and the grass: corn (Zea mays L.), millet (Peenisetum americamum L.) and grain sorghum (Sorghum bicolor L.), plus no planted area during the winter, as plant cover. In the subplots, after the rice sowing, the nitrogen fertilization in covering (zero and 75 kg ha(-1) of N at the urea form) was used. The rice grain yield was influenced by the plant residues, but not for the N doses or the interaction. The sorghum grain showed negative influence on the rice productivity. The nitrogen fertilization influenced the number of spores, but not the mycorrhizal colonization or the grain yield, at the time of the crop. Correlation between the studied variable was riot found.

Alterações microbiológicas, de fertilidade e de produtividade do arroz de terras altas em diferentes manejos de solo e água

In Brazil, the upland rice Culture system is predominant, but its water supply depends of precipitation and its distribution. Sol-lie practices or disturbances on soil conditions may cause alterations that call be detected by microorganisms, which are quite sensitive. This experiment was developed to study microbiological alterations (microbial biomass carbon (MBC), released CO2 (C-CO2), metabolic quotient (qCO(2)) and mycorrhization), as well as alterations in soil fertility and productivity of upland rice, cultivated under different soil and water managements. Cultivar BRS Talento was used in the experiment. The experimental design was a completely randomized block design, with four replications, using three soil managements: no-tillage (NT), heavy disk + leveling disk harrowing (HL), and chisel plowing + leveling disk harrowing (CL), plus three water managements: no irrigation (WD0); water depth 1 (WD1), with irrigation at the reproductive and maturation periods; and water depth 2 (WD2), with irrigation throughout the rice cycle. Autochthones arbuscular mycorrhizal fungi proved to be sensitive to soil and water management. The NT presented the highest values for MO, Ca, SB and V% and the lowest for H+A1. This management, together with irrigation at the reproductive and maturation periods of BRS Talento cultivar, promoted goods results for crop yield and microbiology characteristics.