Arbuscular mycorrhizal fungi and collembola non-additively increase soil aggregation

Soil aggregation is a principal ecosystem process mediated by soil biota. Collembola and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi are important groups in the soil, and can interact in various ways. Few studies have examined collembola effects on soil aggregation, while many have quantified AM effects. Here, we asked if collembola have any effect on soil aggregation, and if they alter AM fungi-mediated effects on soil aggregation.

We carried out a factorial greenhouse study, manipulating the presence of both collembola and AM fungi, using two different plant species, Sorghum vulgare and Daucus carota. We measured root length and biomass, AMF (and non-AMF) soil hyphal length, root colonization, and collembolan populations, and quantified water stable soil aggregates (WSA) in four size classes.

Soil exposed to growth of AMF hyphae and collembola individually had higher WSA than control treatments. Moreover, the interaction effects between AMF and collembola were significant, with nonadditive increases in the combined application compared to the single treatments.

Our findings show that collembola can play a crucial role in maintaining ecological sustainability through promoting soil aggregation, and point to the importance of considering organism interactions in understanding formation of soil structure. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Direct, positive feedbacks produce instability in models of interrelationships among soil structure, plants and arbuscular mycorrhizal fungi

Current conceptual models of reciprocal interactions linking soil structure, plants and arbuscular mycorrhizal fungi emphasise positive feedbacks among the components of the system. However, dynamical systems with high dimensionality and several positive feedbacks (i.e. mutualism) are prone to instability. Further, organisms such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are obligate biotrophs of plants and are considered major biological agents in soil aggregate stabilization. With these considerations in mind, we developed dynamical models of soil ecosystems that reflect the main features of current conceptual models and empirical data, especially positive feedbacks and linear interactions among plants, AMF and the component of soil structure dependent on aggregates. We found that systems become increasingly unstable the more positive effects with Type I functional response (i.e., the growth rate of a mutualist is modified by the density of its partner through linear proportionality) are added to the model, to the point that increasing the realism of models by adding linear effects produces the most unstable systems. The present theoretical analysis thus offers a framework for modelling and suggests new directions for experimental studies on the interrelationship between soil structure, plants and AMF. Non-linearity in functional responses, spatial and temporal heterogeneity, and indirect effects can be invoked on a theoretical basis and experimentally tested in laboratory and field experiments in order to account for and buffer the local instability of the simplest of current scenarios. This first model presented here may generate interest in more explicitly representing the role of biota in soil physical structure, a phenomenon that is typically viewed in a more process- and management-focused context. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Arbuscular mycorrhizal fungi confer enhanced arsenate resistance on Holcus lanatus

The role of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in arsenate resistance in arbuscular mycorrhizal associations is investigated here for two Glomus spp. isolated from the arsenate-resistant grass Holcus lanatus. Glomus mosseae and Glomus caledonium were isolated from H. lanatus growing on an arsenic-contaminated mine-spoil soil. The arsenate resistance of spores was compared with nonmine isolates using a germination assay. Short-term arsenate influx into roots and long-term plant accumulation of arsenic by plants were also investigated in uninfected arsenate resistant and nonresistant plants and in plants infected with mine and nonmine AMF. Mine AMF isolates were arsenate resistant compared with nonmine isolates. Resistant and nonresistant G. mosseae both suppressed high-affinity arsenate/phosphate transport into the roots of both resistant and nonresistant H. lanatus. Resistant AMF colonization of resistant H. lanatus growing in contaminated mine spoil reduced arsenate uptake by the host. We conclude that AMF have evolved arsenate resistance, and conferred enhanced resistance on H. lanatus.

Degradation of 4-fluorobiphenyl by mycorrhizal fungi as determined by 19F nuclear magnetic resonance spectroscopy and 14C radiolabelling analysis

The pathways of biotransformation of 4-fluorobiphenyl (4FBP) by the ectomycorrhizal fungus Tylospora fibrilosa and several other mycorrhizal fungi were investigated by using ¹⁹F nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy in combination with ¹⁴C radioisotope-detected high-performance liquid chromatography (¹⁴C- HPLC). Under the conditions used in this study T. fibrillosa and some other species degraded 4FBP. ¹⁴C-HPLC profiles indicated that there were four major biotransformation products, whereas ¹⁹F NMR showed that there were six major fluorine-containing products. We confirmed that 4-fluorobiphen-4'-ol and 4-fluorobiphen-3'-ol were two of the major products formed, but no other products were conclusively identified. There was no evidence for the expected biotransformation pathway (namely, meta cleavage of the less halogenated ring), as none of the expected products of this route were found. To the best of our knowledge, this is the first report describing intermediates formed during mycorrhizal degradation of halogenated biphenyls.

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.

Multitrophic links between arbuscular mycorrhizal fungi and insect parasitoids

The effects of arbuscular mycorrhizal colonization of Leucanthemum vulgare on parasitism of a leaf-mining insect was studied in a field and a laboratory experiment. In the field, parasitism of Chromatomyia syngenesiae by Diglyphus isaea was lower on mycorrhizal plants, compared with plants where the association was reduced. A laboratory experiment, in which L. vulgare was inoculated with three species of AM fungi, showed that the effects on parasitism rates were mycorrhizal species-dependent. Some fungal combinations increased parasitism, some decreased it, while others had no effect. It is concluded that the most likely cause of these differences is plant size, with parasitoid searching efficiency being reduced on the larger plants, resulting from certain mycorrhizal species combinations. However, a mycorrhizal effect on herbivore-produced plant volatiles cannot be ruled out.

Global patterns of plant root colonization intensity by mycorrhizal fungi explained by climate and soil chemistry

Aim Most vascular plants on Earth form mycorrhizae, a symbiotic relationship between plants and fungi. Despite the broad recognition of the importance of mycorrhizae for global carbon and nutrient cycling, we do not know how soil and climate variables relate to the intensity of colonization of plant roots by mycorrhizal fungi. Here we quantify the global patterns of these relationships. Location Global. Methods Data on plant root colonization intensities by the two dominant types of mycorrhizal fungi world-wide, arbuscular (4887 plant species in 233 sites) and ectomycorrhizal fungi (125 plant species in 92 sites), were compiled from published studies. Data for climatic and soil factors were extracted from global datasets. For a given mycorrhizal type, we calculated at each site the mean root colonization intensity by mycorrhizal fungi across all potentially mycorrhizal plant species found at the site, and subjected these data to generalized additive model regression analysis with environmental factors as predictor variables. Results We show for the first time that at the global scale the intensity of plant root colonization by arbuscular mycorrhizal fungi strongly relates to warm-season temperature, frost periods and soil carbon-to-nitrogen ratio, and is highest at sites featuring continental climates with mild summers and a high availability of soil nitrogen. In contrast, the intensity of ectomycorrhizal infection in plant roots is related to soil acidity, soil carbon-to-nitrogen ratio and seasonality of precipitation, and is highest at sites with acidic soils and relatively constant precipitation levels. Main conclusions We provide the first quantitative global maps of intensity of mycorrhizal colonization based on environmental drivers, and suggest that environmental changes will affect distinct types of mycorrhizae differently. Future analyses of the potential effects of environmental change on global carbon and nutrient cycling via mycorrhizal pathways will need to take into account the relationships discovered in this study.

Navigating the labyrinth: a guide to sequence-based, community ecology of arbuscular mycorrhizal fungi

Data generated from next generation sequencing (NGS) will soon comprise the majority of information about arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) communities. Although these approaches give deeper insight, analysing NGS data involves decisions that can significantly affect results and conclusions. This is particularly true for AMF community studies, because much remains to be known about their basic biology and genetics. During a workshop in 2013, representatives from seven research groups using NGS for AMF community ecology gathered to discuss common challenges and directions for future research. Our goal was to improve the quality and accessibility of NGS data for the AMF research community. Discussions spanned sampling design, sample preservation, sequencing, bioinformatics and data archiving. With concrete examples we demonstrated how different approaches can significantly alter analysis outcomes. Failure to consider the consequences of these decisions may compound bias introduced at each step along the workflow. The products of these discussions have been summarized in this paper in order to serve as a guide for any researcher undertaking NGS sequencing of AMF communities.

PHOSPHORUS DOSES DETERMINE THE PREVALENCE OF NATIVE ARBUSCULAR MYCORRHIZAL FUNGI IN Araucaria angustifolia

A greenhouse experiment was installed with bait cultures to extract the AMF species present in a rhizosphere soil sample of a native Araucaria angustifolia forest in Campos do Jordao, Brazil. The experimental design was completely randomized, with four increasing phosphorus doses (0, 20, 50, and 150 mg kg(-1), as triple superphosphate), with five replicates, the bait plant was araucaria, and all pots were inoculated with 100 g of rhizospheric soil collected in an araucaria forest. After twelve months the spores were extracted, counted and identified, and the percent root colonization was also determined. When taking all four P doses into account, eleven AMF species could be identified: Acaulospora bireticulata, Acaulospora morrowiae, Acaulospora sp., Entrophospora colombiana, Gigaspora margarita, Glomus diaphanum, Glomus etunicatum, Glomus macrocarpum, Scutellospora calospora, Scutellospora gilmorei, and Scutellospora pellucida. There was no effect of the P dose on the total amount of spores neither on the percent root colonization. However, the correspondence analysis showed that the different AMF species were selectively associated mostly to either one or another P dose.