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.

Contribution des légumineuses, des champignons endophytes et mycorhiziens dans la nutrition azotée des prairies indigènes semi-arides

Les prairies indigènes présentent une source importante d'alimentation pour le pâturage du bétail dans les prairies Canadiennes semi-arides. L'addition de légumineuses fixatrices d'azote et de phosphore dans les prairies indigènes peut améliorer la productivité et la valeur nutritive de fourrage. Ces pratiques peuvent induire des modifications de la structure et de la diversité des communautés fongiques du sol, ce qui peut en retour avoir un impact sur la production et le contenu nutritionnel du fourrage. L’objectif de cette étude était de développer un système de pâturage à bas niveau d’intrants, productif, autonome et durable. À court terme, nous voulions 1) déterminer l'effet des légumineuses (Medicago sativa, une légumineuse cultivée ou Dalea purpurea, une légumineuse indigène) et la fertilité en phosphore du sol sur la productivité et la valeur nutritive des graminées indigènes, comparées avec celles de la graminée introduite Bromus biebersteinii en mélange avec le M. sativa, 2) identifier l'effet de ces pratiques sur la diversité et la structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et des champignons totaux, 3) identifier l'effet des légumineuses et des CMA sur les interactions compétitives entre les graminées de saison fraîche et les graminées de saison chaude. Les expériences menées au champ ont montré que M. sativa améliorait les teneurs en azote et en phosphore des graminées indigènes au début de l'été, ainsi que la teneur en azote de la graminée de saison chaude Bouteloua gracilis à la fin de l'été de l'année sèche 2009. Par contre, la fertilité en phosphore du sol n'ait pas affecté la productivité des plantes. D'autre part, l'inclusion des légumineuses augmentait la diversité des CMA dans le mélange de graminées indigènes. Cette modification présentait des corrélations positives avec la productivité et la quantité totale d'azote chez le M. sativa et avec la teneur en phosphore des graminées indigènes, au début de l'été. La structure des communautés de champignons totaux était influencée par l'interaction entre le mélange des espèces et la fertilité en phosphore du sol seulement en 2008 (année humide). Cet effet pourrait être lié en partie avec la productivité des plantes et l'humidité du sol. Les expériences menées en chambre de culture ont montré que les CMA peuvent favoriser la productivité des graminées de saison chaude au détriment des graminées de saison fraîche. En effet, Glomus cubense augmentait la productivité de la graminée de saison chaude B. gracilis, en présence de M. sativa. Cet effet pourrait être associé à l’effet négatif du G. cubense sur la fixation de l’azote par le M. sativa et à la diminution de l’efficacité d’utilisation de l'azote de certaines graminées de saison fraîche résultant en une augmentation de la disponibilité de l'azote pour B. gracilis. Par contre, le Glomus sp. augmentait la biomasse de Schizachyrium scoparium, autre graminée de saison chaude, en absence de légumineuse. Ce phénomène pourrait être attribuable à une amélioration de l’efficacité d’utilisation du P de cette graminée. En conclusion, mes travaux de recherche ont montré que la légumineuse cultivée M. sativa peut améliorer la valeur nutritive des graminées indigènes au début de l'été ainsi que celle de la graminée de saison chaude B. gracilis, dans des conditions de sécheresse sévère de la fin de l'été. De plus, l'addition de M. sativa dans le mélange de graminées indigènes peut contribuer à augmenter le nombre des espèces bénéfiques des CMA pour la production et la nutrition du fourrage au début de l'été.

The diversity of arbuscular mycorrhizas of selected Australian Fabaceae

Members of the Australian native perennial Fabaceae have been little explored with regard to their root biology and the role played by arbuscular mycorrhizal (AM) fungi in their establishment, nutrition and long-term health. The ultimate goal of our research is to determine the dependency of native perennial legumes on their co-evolved AM fungi and conversely, the impact of AM fungal species in agricultural fields on the productivity of sown native perennial legume pastures. In this paper we investigate the colonisation morphology in roots and the AMF, identified by spores extracted from rhizosphere soil, from three replicate plots of each of the native legumes, Cullen australasicum, C. tenax and Lotus australis and the exotic legumes L. pedunculatus and Medicago sativa. The plants were grown in an agricultural field. The level and density of colonisation by AM fungi, and the frequency of intraradical and extraradical hyphae, arbuscules, intraradical spores and hyphal coils all differed between host plants and did not consistently differ between native and exotic species. However, there were strong similarities between species in the same genus. The three dominant species of AM fungi in rhizosphere soil also differed with host plant, but one fungus (Glomus mosseae) was always the most dominant. Sub-dominant AM species were the same between species in the same genus. No consistent differences in dominant spores were observed between the exotic and native Fabaceae species. Our results suggest that plant host influences the mycorrhizal community in the rhizosphere soil and that structural and functional differences in the symbiosis may occur at the plant genus level, not the species level or due to provenance.

Initial vegetation, and spore density, diversity and evenness of different arbuscular mycorrhizal fungi morphotaxa 29,36 and 39 months after experimental vegetation removal, central Argentina

1. Dominant plant functional types (PFTs) are expected to be primary determinants of communities of other above- and below-ground organisms. Here, we report the effects of the experimental removal of different PFTs on arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) communities in a shrubland ecosystem in central Argentina. 2. On the basis of the biomass-ratio hypothesis and plant resource use strategy theory, we expected the effect of removal of PFTs on AMF colonization and spores to be proportional to the biomass removed and to be stronger when more conservative PFTs were removed. The treatments applied were: undisturbed control (no plant removed), disturbed control (mechanical disturbance), no shrub (removal of deciduous shrubs), no perennial forb (removal of perennial forbs), no graminoid (removal of graminoids) and no annual forb (removal of annual forbs). AMF colonization was assessed after 5,17 and 29 months. Total density of AMF spores, richness and evenness of morpho-taxa, and AMF functional groups were quantified after 5,17,29,36 and 39 months. 3. Five months after the initial removal we found a significant reduction in total AMF colonization in all plots subjected to PFT removals and in the disturbed control plots, as compared with the undisturbed controls. This effect disappeared afterwards and no subsequent effect on total colonization and colonization by arbuscules was observed. In contrast, a significant increase in colonization by vesicles was observed in months 17 and 29, mainly in no graminoid plots. In general, treatments did not significantly affect AMF spores in the soil. On the other hand, no annual forb promoted transient (12-18 months) higher ammonia availability, and no shrub promoted lower nitrate availability in the longer term (24-28 months). 4. Synthesis. Our experiment, the first to investigate the effects of the removal of different PFTs on AMF communities in natural ecosystems, indicates that AMF communities are resilient to changes in the soil and in the functional composition of vegetation. Furthermore, it does not provide consistent evidence in support of the biomass-ratio hypothesis or differential trait-based direct or indirect effects of different PFTs on AMF in this particular system.

Caractérisation moléculaire de la biodiversité des Fusarium associés à la fusariose de l'asperge (Asparagus officinalis L.) au Québec

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Caractérisation moléculaire de la biodiversité des Fusarium associés à la fusariose de l'asperge (Asparagus officinalis L.) au Québec

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Composite Medicago truncatula plants harbouring Agrobacterium rhizogenes-transformed roots reveal normal mycorrhization by Glomus intraradices

Composite plants consisting of a wild-type shoot and a transgenic root are frequently used for functional genomics in legume research. Although transformation of roots using Agrobacterium rhizogenes leads to morphologically normal roots, the question arises as to whether such roots interact with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi in the same way as wild-type roots. To address this question, roots transformed with a vector containing the fluorescence marker DsRed were used to analyse AM in terms of mycorrhization rate, morphology of fungal and plant subcellular structures, as well as transcript and secondary metabolite accumulations. Mycorrhization rate, appearance, and developmental stages of arbuscules were identical in both types of roots. Using Mt16kOLI1Plus microarrays, transcript profiling of mycorrhizal roots showed that 222 and 73 genes exhibited at least a 2-fold induction and less than half of the expression, respectively, most of them described as AM regulated in the same direction in wild-type roots. To verify this, typical AM marker genes were analysed by quantitative reverse transcription-PCR and revealed equal transcript accumulation in transgenic and wild-type roots. Regarding secondary metabolites, several isoflavonoids and apocarotenoids, all known to accumulate in mycorrhizal wild-type roots, have been found to be up-regulated in mycorrhizal in comparison with non-mycorrhizal transgenic roots. This set of data revealed a substantial similarity in mycorrhization of transgenic and wild-type roots of Medicago truncatula, validating the use of composite plants for studying AM-related effects.