Effects of the relatedness of arbuscular mycorrhizal fungi on associated species ecology

More than 80 % of vascular plants in the world form symbioses with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). AMF supply plants with nutrients such as phosphate and nitrogen, and can also help the plants to take up water. Hence, the symbiosis can greatly influence the growth and the defence of plants. By modifying plant productivity and diversity, AMF are considered as keystone species in ecosystems, playing a role that ultimately affects many food webs. This is why mycorrhizal symbioses have been investigated for several decades by many research groups.¦However, a large part of the scientific research done on AMF symbiosis has focused on the interaction between one plant and one fungus. This situation is far from realistic, as in natural ecosystems, many different fungal strains and species are co-existing and interacting in a belowground network. The main goal of this PhD was to investigate first, the interaction occurring among different co-existing AMF depending on their genetic relatedness and second, the outcome of the interaction and their effects on associated species.¦We found that AMF genetic relatedness partly explains the interaction among AMF, and this was in agreement with theories made for completely different species. Briefly, we demonstrated that AMF isolates of the same species coexisted more easily when they were closely-related, whereas AMF from different species were more in competition in this case of high relatedness. We also demonstrated that coexistence and competition among AMF can mediate plant growth as well as herbivore behaviour, opening new insights in our understanding of AMF effects on ecosystem functioning.¦Overall, the results of the different experiments of this PhD highlight the necessity of using multiple AMF to understand their interactions. Even so, we demonstrated here that simple species richness is not enough to understand these interactions and genetic relatedness among the co-existing AMF is a parameter that must be taken into account.¦-¦Sur Terre, plus de 80 % des plantes vasculaires forment des symbioses avec des champignons endomycorhiziens à arbuscules (CEA). Ces CEA permettent aux plantes d'acquérir plus facilement des nutriments tels que des phosphates, des nitrates, ou simplement de l'eau. Ainsi, cette symbiose peut avoir un effet important à la fois sur la croissance mais aussi sur la défense des plantes. En modulant la productivité et la diversité des plantes, les CEA sont donc des espèces clefs dans l'écosystème. Leur présence peut avoir des répercussions sur l'ensemble des réseaux trophiques. C'est pourquoi de nombreuses équipes de recherches étudient ces symbioses mycorhizienes depuis plusieurs décennies.¦La plupart des études concernant ces symbioses se sont focalisées sur l'action d'une espèce de CEA sur une espèce de plante. Malheureusement, cette situation ne correspond pas à ce que l'on peut retrouver dans la nature, où de nombreuses souches et de nombreuses espèces de CEA coexistent et interagissent dans un réseau mycélien souterrain. Le principal but de cette thèse était d'étudier, premièrement les interactions entre les différent CEA en fonction de leur apparentement génétique, et deuxièmement, d'étudier l'effet de ces interactions fongiques sur l'écologie des espèces associées.¦Au cours des différentes expériences de cette thèse, nous avons démontré que l'apparentement génétique entre les CEA expliquait une part non négligeable de leurs interactions. En résumé, plus l'apparentement génétique entre des souches de CEA d'une même espèce sera grand, plus ces souches seront capables de coexister. En revanche, s'il s'agit d'espèces différentes de CEA, plus elles seront apparentées, plus la compétition sera grande entre elles. Nous avons également démontré que la coexistence et la compétition entre différents CEA peut modifier à la fois la croissance des plantes mais aussi le comportement de leur prédateurs, ce qui ouvre de nouvelles perspectives sur notre compréhension des effets des CEA dans le fonctionnement des écosystèmes.¦Globalement, les résultats de nos différentes expériences mettent en évidence la nécessité d'utiliser plusieurs souches ou espèces de CEA pour mieux comprendre leurs interactions. Quand bien même, nos expériences démontrent que le simple recensement du nombre d'espèces de CEA n'est pas suffisant pour comprendre les interactions et que l'apparentement génétique des CEA coexistants est un paramètre qui doit être pris en compte.

Phosphate solubilization and synergism between P-solubilizing and arbuscular mycorrhizal fungi

The objective of this work was to evaluate the ability of several P-solubilizing fungi to solubilize aluminum phosphate and Araxá apatite as well as the synergism between the P-solubilizing fungus, PSF 7, and arbuscular mycorrhizal fungi to promote clover growth amended with aluminum phosphate. Two experiments were carried out, the first under laboratory conditions and the second in a controlled environmental chamber. In the first experiment, PSF 7, PSF 9, PSF 21 and PSF 22 isolates plus control were incubated in liquid medium at 28ºC for eight days. On the 2nd, 4th and 8th day of incubation, pH and soluble P were determined. In the second experiment, clover was sowed in plastic pots containing 300 g of sterilized substrate amended with aluminum phosphate, 3 g L-1, in presence and absence of PSF 7 isolate and arbuscular mycorrhizal fungi. A completely randomized design, in factorial outline 2x2 (presence and absence of PSF 7 and arbuscular mycorrhizal fungi) and five replicates were used. In the first experiment, higher P content was detected in the medium containing aluminum phosphate. PSF 7 is the best fungi isolate which increases aluminum solubilization with major tolerance to Al3+. Clover growth was stimulated by presence of PSF 7 and arbuscular mycorrhizal fungi. There is synergism between microorganisms utilized to improve plant nutrition.

Arbuscular mycorrhizal fungi mediate below-ground plant-herbivore interactions: a phylogenetic study

Ecological interactions are complex networks, but have typically been studied in a pairwise fashion. Examining how third-party species can modify the outcome of pairwise interactions may allow us to better predict their outcomes in realistic systems. For instance, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) can affect plant interactions with other organisms, including below-ground herbivores, but the mechanisms underlying these effects remain unclear. Here, we use a comparative, phylogenetically controlled approach to test the relative importance of mycorrhizal colonization and plant chemical defences (cardenolides) in predicting plant survival and the abundance of a generalist below-ground herbivore across 14 species of milkweeds (Asclepias spp.). Plants were inoculated with a mixture of four generalist AMF species or left uninoculated. After 1month, larvae of Bradysia sp. (Diptera: Sciaridae), a generalist below-ground herbivore, colonized plant roots. We performed phylogenetically controlled analyses to assess the influence of AMF colonization and toxic cardenolides on plant growth, mortality and infestation by fungus gnats. Overall, plants inoculated with AMF exhibited greater survival than did uninoculated plants. Additionally, surviving inoculated plants had lower numbers of larvae in their roots and fewer non-AM fungi than surviving uninoculated plants. In phylogenetic controlled regressions, gnat density in roots was better predicted by the extent of root colonized by AMF than by root cardenolide concentration. Taken as a whole, AMF modify the effect of below-ground herbivores on plants in a species-specific manner, independent of changes in chemical defence. This study adds to the growing body of literature demonstrating that mycorrhizal fungi may improve plant fitness by conferring protection against antagonists, rather than growth benefits. In addition, we advocate using comparative analyses to disentangle the roles of shared history and ecology in shaping trait expression and to better predict the outcomes of complex multitrophic interactions.

Acclimatization of Tapeinochilos ananassae plantlets in association with arbuscular mycorrhizal fungi

The objective of this work was to assess the potential of three isolates of arbuscular mycorrhizal fungi to promote growth of micropropagated plantlets of Tapeinochilos ananassae during acclimatization. The experiment was carried out in greenhouse, in a completely randomized block design, with four inoculation treatments: non‑inoculated control and plants inoculated with Glomus etunicatum, Acaulospora longula or Gigaspora albida, with ten replicates. After 90 days, the following parameters were evaluated: survival rate, height, leaf and tiller number, leaf area, fresh and dry biomass, contents of macro‑ and micronutrients in the root and shoot, glomerospore number, and mycorrhizal colonization. The survival percentage was 100%, except for plants inoculated with G. albida (80%). The isolate G. etunicatum is more suitable for plant development, since it improves survival, growth, dry matter production, nutritional status, and vigor of T. ananassae micropropagated plants.

Arbuscular mycorrhizal fungi in soil aggregates from fields of "murundus" converted to agriculture

The objective of this work was to evaluate the spore density and diversity of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in soil aggregates from fields of "murundus" (large mounds of soil) in areas converted and not converted to agriculture. The experiment was conducted in a completely randomized design with five replicates, in a 5x3 factorial arrangement: five areas and three aggregate classes (macro-, meso-, and microaggregates). The evaluated variables were: spore density and diversity of AMF, total glomalin, total organic carbon (TOC), total extraradical mycelium (TEM), and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates. A total of 21 AMF species was identified. Spore density varied from 29 to 606 spores per 50 mL of soil and was higher in microaggregates and in the area with 6 years of conversion to agriculture. Total glomalin was higher between murundus in all studied aggregate classes. The area with 6 years showed lower concentration of TOC in macroaggregates (8.6 g kg-1) and in microaggregates (10.1 g kg-1). TEM was greater at the top of the murundus in all aggregate classes. GMD increased with the conversion time to agriculture. The density and diversity of arbuscular mycorrhizal spores change with the conversion of fields of murundus into agriculture.

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.

Linking the population genetics and ecology of arbuscular mycorrhizal fungi

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) ont co-évolué avec les plantes terrestres depuis plus de 400 millions d'années. De nos jours, les CEA forment une symbiose avec les racines de la majorité des plantes terrestres. Les CEA sont écologiquement importants parce qu'ils influencent non seulement la croissance des plantes, mais aussi leur diversité. Les CEA sont des biotrophes obligatoires qui reçoivent leur énergie sous forme de glucides issus de la photosynthèse des plantes. En contrepartie, les CEA apportent à leurs hôtes du phospore. Les CEA croissent et se reproduisent clonalement en formant des hyphes et des spores. De plus, les CEA sont coenocytiques et multigénomiques; le cytoplasme d'un CEA contient des noyeaux génétiquement différents. De nombreuses études ont démontré que différentes espèces de CEA agissent différentiellement sur la croissance des plantes. Malgré une conscience de plus en plus forte de l'existence d'une variabilité intraspécifique, la question de savoir si les populations de CEA sont génétiquement variables a été largement négligée. Dans le Chapitre 2, j'ai cherché à savoir si une population de CEA provenant d'un seul champ possède une diversité génétique. Cette étude a mis en évidence une importante variation génétique et phénotypique au sein d'individus de la même population. Des différences au niveau de traits de croissance, héritables et liés à la valeur sélective, indiquent que la variation génétique observée entre isolats n'est pas entièrement neutre. Dans le Chapitre 3, je montre que les différences génétiques entre isolats de CEA d'une population provoquent de la variation dans la croissance des plantes. L'effet des isolats dépend des conditions environnementales et varie de bénéfique à parasitique. Dans le Chapitre 4, je montre que des traits de croissance de CEA varient significativement dans des environnements contrastés. J'ai détecté de fortes interactions entre différents génotypes de CEA et différentes espèces de plantes. Ceci suggère que dans un environnement hétérogène, la sélection pourrait localement favoriser différents génotypes de CEA, maintenant ainsi la diversité génétique dans la population. Les résultats de ce travail aident à mieux comprendre l'importance écologique de la variation intraspécifique des CEA. La possibilité de pouvoir cultiver des individus d'une population de CEA au laboratoire nous a permis une meilleure compréhension de la génétique de ces champignons. De plus, ce travail est une base pour de futures expériences visant à comprendre l'importance évolutive de la diversité intraspécifique des CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (A1VIF) have co-evolved with land plants -for over 400 million years. Today, AMF form symbioses with roots of most land plants and are ecologically important because they alter plant growth and affect plant diversity. AMF are obligate biotrophs, obtaining their energy in form of plant-derived photosynthates. In return,- they supply their host plants with phosphorous. These fungi grow and reproduce clonally by hyphae and spores. They are coenocytic and multigenomic, harbouring genetically different nuclei in a common cytoplasm. Many studies have shown different AMF species differentially alter plant growth. Despite the increasing awareness of intraspecific variability the question whether there is any genetic variation among different individuals of the same population has been largely neglected. In Chapter 2, we investigated whether there is genetic diversity in a field population of the AMF G. intraradices. This work revealed that large genetic and heritable phenotypic variation exists in this AMF population. Differences in fitness-related growth traits among isolates suggest that some of the observed genetic variation is not selectively neutral. In Chapter 3, we show that genetic differences among isolates from the same population also cause variation in plant growth. The isolate effects on plant growth depended on the environmental conditions and varied from beneficial to detrimental. In Chapter 4, fitnessrelated growth traits of genetically different isolates were significantly altered in contrasting environments. we detected strong AMF isolate by host species interacfions which suggests that in a heterogeneous environment selection could locally favour different AMF genotypes, thereby maintaining high genetic diversity in the population. The results of this work contribute to the understanding of the ecological importance of intraspecific diversity in AMF. The possibility of culturing individuals of an AMF field population under laboratory condition gave new insights into AMF genetics and lays a foundation for future studies to analyse the evolutionary significance of intraspecific genetic diversity in AMF.

Transcriptome diversity among rice root types during asymbiosis and interaction with arbuscular mycorrhizal fungi.

Root systems consist of different root types (RTs) with distinct developmental and functional characteristics. RTs may be individually reprogrammed in response to their microenvironment to maximize adaptive plasticity. Molecular understanding of such specific remodeling-although crucial for crop improvement-is limited. Here, RT-specific transcriptomes of adult rice crown, large and fine lateral roots were assessed, revealing molecular evidence for functional diversity among individual RTs. Of the three rice RTs, crown roots displayed a significant enrichment of transcripts associated with phytohormones and secondary cell wall (SCW) metabolism, whereas lateral RTs showed a greater accumulation of transcripts related to mineral transport. In nature, arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis represents the default state of most root systems and is known to modify root system architecture. Rice RTs become heterogeneously colonized by AM fungi, with large laterals preferentially entering into the association. However, RT-specific transcriptional responses to AM symbiosis were quantitatively most pronounced for crown roots despite their modest physical engagement in the interaction. Furthermore, colonized crown roots adopted an expression profile more related to mycorrhizal large lateral than to noncolonized crown roots, suggesting a fundamental reprogramming of crown root character. Among these changes, a significant reduction in SCW transcripts was observed that was correlated with an alteration of SCW composition as determined by mass spectrometry. The combined change in SCW, hormone- and transport-related transcript profiles across the RTs indicates a previously overlooked switch of functional relationships among RTs during AM symbiosis, with a potential impact on root system architecture and functioning.

Rice perception of symbiotic arbuscular mycorrhizal fungi requires the karrikin receptor complex.

In terrestrial ecosystems, plants take up phosphate predominantly via association with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). We identified loss of responsiveness to AMF in the rice (Oryza sativa) mutant hebiba, reflected by the absence of physical contact and of characteristic transcriptional responses to fungal signals. Among the 26 genes deleted in hebiba, DWARF 14 LIKE is, the one responsible for loss of symbiosis . It encodes an alpha/beta-fold hydrolase, that is a component of an intracellular receptor complex involved in the detection of the smoke compound karrikin. Our finding reveals an unexpected plant recognition strategy for AMF and a previously unknown signaling link between symbiosis and plant development.

The role of arbuscular mycorrhizal fungi on the early-stage restoration of seasonally dry tropical forest in Chamela, Mexico

It was evaluated the effect of two different sources of local inocula from two contrasting sites (mature forest, pasture) of arbuscular mycorrhizae fungi (AMF) and a non-mycorrhizal control on the plant growth of six woody species differing in functional characteristics (slow-, intermediate- and fast-growth), when introduced in a seasonally tropical dry forest (STDF) converted into abandoned pasture. Six plots (12 X 12m) were set as AMF inoculum source. Six replicates of six different species arranged in a Latin Square design were set in each plot. Plant height, cover area and the number of leaves produced by individual plant was measured monthly during the first growing season in each treatment. Species differed in their ability to benefit from AMF and the largest responsiveness in plant height and leaf production was exhibited by the slow-growing species Swietenia humilis, Hintonia latiflora and Cordia alliodora. At the end of the growing season (November), the plant height of the fast growing species Tabebuia donnel-smithii, Ceiba pentandra and Guazuma ulmifolia were not influenced by AMF. However, inocula of AMF increased leaf production of all plant species regardless the functional characteristics of the species, suggesting a better exploitation of above-ground space and generating a light limited environment under the canopy, which contributed to pasture suppression. Inoculation of seedlings planted in abandoned pasture areas is recommended for ecological restoration due to the high responsiveness of seedling growth in most of species. Use of forest inoculum with its higher diversity of AMF could accelerate the ecological restoration of the above and below-ground comunities.

PRODUCTION OF AUSTRALIAN CEDAR SEEDLINGS INOCULATED WITH ARBUSCULAR MYCORRHIZAL FUNGI IN DIFFERENT TYPES OF CONTAINERS

ABSTRACT The present study aimed to evaluate the growth and the levels of N, P, K, Ca and Mg in Australian cedar seedlings which had been inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in different types of containers. The experiment was carried out in a greenhouse and the experimental design was that of randomized complete blocks (RCB), with a 4 x 4 factorial design consisting of four inoculation treatments with AMF (Rhizophagus clarum, Gigaspora margarita, a mixed inoculation (R. clarum + G. margarita) and the control (with no AMF inoculation); four types of containers (plastic bags measuring 250 cm3, tubes of 55 and 130 cm3 and pressed blocks 440 cm3. plant-1), with four repetitions. The height, the diameter of the stem base, the aerial part dry weight (APDW), the dry weight of the root (DWR) and the total plant dry weight (DW) were measured, along with the Dickson quality index, the percentage of mycorrhizal colonization and the levels of N, P, K, Ca and Mg in the aerial part dry weight. One hundred and thirty eight days (138) days after sowing, the greatest growth and/or the highest levels of P, K and Ca could be observed in the aerial part dry weight of the Australian cedar seedlings which had been planted in the pressed block container and inoculated with a mixture of the two AMF species (G. margarita + R. clarum) or with just R. clarum. Thus it can be seen that AMF can make a significant contribution to the production of Australian cedar seedlings.

Effects of using different host plants on the detected biodiversity of arbuscular mycorrhizal fungi from an agroecosystem

The influence of peanut (Arachis hypogaea L.), sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and maize (Zea mays L.) on the development and diversity of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) from an agrosystem was investigated. Soil collected from an agricultural field where maize had been grown was inserted into sowing holes, under the seeds of peanut, sorghum and maize those were subsequently grown in sterilised quartz sand separately in plastic boxes for five months. After this period, collections of roots and rhizospheric soil were made to evaluate the percentages of root colonization (RC), number of spores (NS) and species of AMF. Peanut showed the highest average values for RC and NS: 24.5% and 547.8/100 g of soil, respectively. Maize had an average RC of 19.7% and 415.2 spores/100g soil. Sorghum showed the lowest values: 15.9% for average RC and 349.8 spores/100 g soil. A total of fourteen species of AMF were identified. Seven species were identified from peanut rhizospheres, Entrophospora colombiana being the most abundant and frequent. In sorghum rhizospheres, twelve species were found, Glomus geosporum was the dominant taxon in terms of number of spores and frequency. Ten species were detected in maize with Acaulospora longula being the most abundant and the most frequent. It was observed that peanut was the best plant for promoting the sporulation of AMF, while sorghum favoured the establishment of most AMF species, followed by maize.

Molecular interactions of arbuscular mycorrhizal fungi with mycotoxin-producing fungi and their role in plant defense responses

Les trichothécènes de Fusarium appartiennent au groupe des sesquiterpènes qui sont des inhibiteurs la synthèse des protéines des eucaryotes. Les trichothécènes causent d’une part de sérieux problèmes de santé aux humains et aux animaux qui ont consommé des aliments infectés par le champignon et de l’autre part, elles sont des facteurs importants de la virulence chez plantes. Dans cette étude, nous avons isolé et caractérisé seize isolats de Fusarium de la pomme de terre infectée naturellement dans un champs. Les tests de pathogénicité ont été réalisés pour évaluer la virulence des isolats sur la pomme de terre ainsi que leur capacité à produire des trichothécènes. Nous avons choisi F. sambucinum souche T5 comme un modèle pour cette étude parce qu’il était le plus agressif sur la pomme de terre en serre en induisant un flétrissement rapide, un jaunissement suivi de la mort des plantes. Cette souche produit le 4,15-diacétoxyscirpénol (4,15-DAS) lorsqu’elle est cultivée en milieu liquide. Nous avons amplifié et caractérisé cinq gènes de biosynthèse trichothécènes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, et TRI101) impliqués dans la production du 4,15-DAS. La comparaison des séquences avec les bases de données a montré 98% et 97% d'identité de séquence avec les gènes de la biosynthèse des trichothécènes chez F. sporotrichioides et Gibberella zeae, respectivement. Nous avons confrenté F. sambucinum avec le champignon mycorhizien à arbuscule Glomus irregulare en culture in vitro. Les racines de carotte et F. sambucinum seul, ont été utilisés comme témoins. Nous avons observé que la croissance de F. sambucinum a été significativement réduite avec la présence de G. irregulare par rapport aux témoins. Nous avons remarqué que l'inhibition de la croissance F. sambucinum a été associée avec des changements morphologiques, qui ont été observés lorsque les hyphes de G. irregulare ont atteint le mycélium de F. sambucinum. Ceci suggère que G. irregulare pourrait produire des composés qui inhibent la croissance de F. sambucinum. Nous avons étudié les patrons d’expression des gènes de biosynthèse de trichothécènes de F. sambucinum en présence ou non de G. irregulare, en utilisant le PCR en temps-réel. Nous avons observé que TRI5 et TRI6 étaient sur-exprimés, tandis que TRI4, TRI13 et TRI101 étaient en sous-exprimés en présence de G. irregulare. Des analyses par chromatographie en phase-gazeuse (GC-MS) montrent clairement que la présence de G. irregulare réduit significativement la production des trichothécènes par F. sambucinum. Le dosage du 4,15-DAS a été réduit à 39 μg/ml milieu GYEP par G. irregulare, comparativement à 144 μg/ml milieu GYEP quand F. sambucinum est cultivé sans G. irregulare. Nous avons testé la capacité de G. irregulare à induire la défense des plants de pomme de terre contre l'infection de F. sambucinum. Des essais en chambre de croissance montrent que G. irregulare réduit significativement l’incidence de la maladie causée par F. sambucinum. Nous avons aussi observé que G. irregulare augmente la biomasse des racines, des feuilles et des tubercules. En utilisant le PCR en temps-réel, nous avons étudié les niveaux d’expression des gènes impliqué dans la défense des plants de pommes de terre tels que : chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (Glub), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protéin (OSM-8e) et pathogenèses-related protein (PR-1). Nous avons observé que G. irregulare a induit une sur-expression de tous ces gènes dans les racines après 72 heures de l'infection avec F. sambucinum. Nous avons également trové que la baisse provoquée par F. sambucinum des gènes Glub et CEVI16 dans les feuilles pourrait etre bloquée par le traitement AMF. Ceci montre que l’inoculation avec G. irregulare constitut un bio-inducteur systémique même dans les parties non infectées par F. sambucinum. En conclusion, cette étude apporte de nouvelles connaissances importantes sur les interactions entre les plants et les microbes, d’une part sur les effets directs des champignons mycorhiziens sur l’inhibition de la croissance et la diminution de la production des mycotoxines chez Fusarium et d’autre part, l’atténuation de la sévérité de la maladie dans des plantes par stimulation leur défense. Les données présentées ouvrent de nouvelles perspectives de bio-contrôle contre les pathogènes mycotoxinogènes des plantes.

The evolution of inter-genomic variation in arbuscular mycorrhizal fungi

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.