Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

Occurrence and Structure of Arbuscular Mycorrhizal Fungal Communities in Cassava after Cultivation of Cover Crops as Observed by the “PCR-DGGE” Technique

ABSTRACT Cassava (Manihot esculenta Crantz) is a highly mycotrophic crop, and prior soil cover may affect the density of arbuscular mycorrhizal fungi (AMFs), as well as the composition of the AMFs community in the soil. The aim of this study was to evaluate the occurrence and the structure of AMFs communities in cassava grown after different cover crops, and the effect of the cover crop on mineral nutrition and cassava yield under an organic farming system. The occurrence and structure of the AMFs community was evaluated through polymerase chain reaction (PCR) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). A randomized block experimental design was used with four replications. Six different cover crop management systems before cassava were evaluated: black oats, vetch, oilseed radish, intercropped oats + vetch, intercropped oats + vetch + oilseed radish, plus a control (fallow) treatment mowed every 15 days. Oats as a single crop or oats intercropped with vetch or with oilseed radish increased AMFs inoculum potential in soil with a low number of propagules, thus benefiting mycorrhizal colonization of cassava root. The treatments did not affect the structure of AMFs communities in the soil since the AMFs communities were similar in cassava roots in succession to different cover crops. AMFs colonization was high despite high P availability in the soil. The cassava crop yield was above the regional average, and P levels in the leaves were adequate, regardless of which cover crop treatments were used. One cover crop cycle prior to the cassava crop was not enough to observe a significant response in variables, P in plant tissue, crop yield, and occurrence and structure of AMFs communities in the soil. In the cassava roots in succession, the plant developmental stage affected the groupings of the structure of the AMF community.

A regional Industrial Symbiosis methodology and its implementation in Geneva, Switzerland

The Agenda 21 for the Geneva region is the results from a broad consultation process including all local actors. The article 12 stipulates that « the State facilitates possible synergies between economic activities in order to minimize their environmental impacts » thus opening the way for Industrial Ecology (IE) and Industrial Symbiosis (IS). An Advisory Board for Industrial Ecology and Industrial Symbiosis implementation was established in 2002 involving relevant government agencies. Regulatory and technical conditions for IS are studied in the Swiss context. Results reveal that the Swiss law on waste does not hinder by-product exchanges. Methodology and technical factors including geographic, qualitative, quantitative and economical aspects are detailed. The competition with waste operators in a highly developed recycling system is also tackled.The IS project develops an empirical and systematic method for detecting and implementing by-products synergies between industrial actors disseminated throughout the Geneva region. Database management tool for the treatment of input-output analysis data and GIS tools for detecting potentials industrial partners are constantly improved. Potential symbioses for 17 flows (including energy, water and material flows) are currently studied for implementation.

Reprogramming plant cells for endosymbiosis.

The establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses, formed by most flowering plants in association with glomeromycotan fungi, and the root-nodule (RN) symbiosis, formed by legume plants and rhizobial bacteria, requires an ongoing molecular dialogue that underpins the reprogramming of root cells for compatibility. In both endosymbioses, there are distinct phases to the interaction, including a presymbiotic anticipation phase and, subsequently, an intraradical accommodation of the microsymbiont. Maintenance of the endosymbiosis then depends on reciprocal nutrient exchange with the microsymbiont-obtaining plant photosynthates in exchange for mineral nutrients: enhanced phosphate and nitrogen uptake from AM fungi and fixed nitrogen from rhizobia. Despite the taxonomically distinct groups of symbionts, commonalities are observed in the signaling components and the modulation of host cell responses in both AM and RN symbioses, reflecting common mechanisms for plant cell reprogramming during endosymbiosis.

Arbuscular mycorrhiza: the challenge to understand the genetics of the fungal partner.

Arbuscular mycorrhizal symbioses occur between fungi and the majority of plant species. They are important for plant nutrition, plant growth, protection from pathogens, plant diversity, nutrient cycling, and ecosystem processes. A key goal in research is to understand the molecular basis of the establishment, regulation, and functioning of the symbiosis. However, lack of knowledge on the genetics of the fungal side of this association has hindered progress. Here, we show how several key, recently discovered processes concerning the genetics of arbuscular mycorrhizal fungi could be essential for ultimately understanding the molecular genetics of this important symbiosis with plants.

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.

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.

De l'agriculture urbaine à la都市農業 (toshinogyo) Une analyse de leur émergence dans le cas de Genève et Tokyo

Il y a aujourd'hui un relatif consensus autour de l'émergence de l'agriculture urbaine. Les projets d'agriculture urbaine se développeraient, car il y aurait une nécessité à réinstaurer des relations entre l'urbain et l'agricole. Les dispositifs qui ont été mis en place par la modernité comme le zonage, l'économie de marché, les transports, l'usage de fertilisants ou les filières agroalimentaires auraient en effet fait disparaître ces relations qu'il s'agirait aujourd'hui de reconnecter. L'agriculture urbaine serait alors présentée comme une stratégie alternative à cette distinction. Elle serait le résultat de relations réciproques - et donc équivalentes - entre l'urbain et l'agricole. Elle serait alors à la fois urbaine et agricole. Nous pensons qu'il faut sortir aujourd'hui de cette conception d'agriculture urbaine. Nous remettons tout d'abord en question le fait que l'agriculture urbaine aurait pour objectif de reconnecter l'urbain et l'agricole. Cela présuppose qu'il n'y aurait plus de relations durant la modernité entre l'agricole et l'urbain. Or, comme le montre l'étude des aspects spatiaux, fonctionnels et sociaux de ces relations sous la modernité pour les cas de Genève et de Tokyo, ces relations existeraient toujours, voire même s'intensifieraient. Nous cherchons aussi à montrer qu'il faut faire évoluer l'idée que l'agriculture urbaine étant le résultat de relations réciproques entre l'urbain et l'agricole, elle se devait d'être à la fois urbaine et agricole. Dans les faits, l'agriculture urbaine apparaît plus souvent comme un projet de l'urbain au bénéfice de celui-ci, que comme un projet partagé entre l'urbain et l'agricole. Enfin, nous mettons en avant que l'agriculture urbaine n'aurait pas la capacité de reconnecter de façon effective l'agricole et l'urbain. Ainsi, l'agriculture urbaine n'est pas en mesure de se substituer aux dispositifs mis en place par la modernité. Elle ne peut rendre les villes autonomes en denrées alimentaires, établir des symbioses agro-urbaines ou remettre en question le système des filières agroalimentaires. Dans ce contexte, nous défendons la thèse que la conception d'agriculture urbaine doit aujourd'hui évoluer vers celle de toshinogyo. L'objectif est alors de rendre visibles les relations entre l'agricole et l'urbain. Les dispositifs mis en place sous la modernité n'ont pas eu pour effet de supprimer les relations entre l'urbain et l'agricole, mais de les rendre invisibles. Il s'agit aujourd'hui de leur redonner une visibilité. En devenant cette prise qui rend visibles ces relations, la toshinogyo ne serait alors plus tenue d'être urbaine et agricole à la fois, de même qu'elle ne s'opposerait pas aux dispositifs modernes, mais en serait complémentaire. Dans le contexte Genevois, le passage de l'agriculture urbaine à la toshinogyo est loin d'être encore évident. Dans le cas de Tokyo, l'optique de la toshinogyo est clairement affirmée et pourrait alors donner des amorces de pistes à suivre.

How CSR and stakeholder engagement encourage the development of Industrial symbiosis from the management viewpoint?

The thesis aims to understand how CSR and stakeholder engagement can contribute to the development of industrial symbiosis. Theory suggests that corporate social responsibility and stakeholder engagement theories have many similar aspects that correlate with the development of industrial symbiosis. This study is qualitative and empirical suggestions are derived from integrative analysis of literature, secondary data and case study analysis. The empirical findings from the interviews support the framework that is created from the findings of the literature review. The results discovered throughout the thesis research suggest that CSR functions as a theoretical background for industrial symbiosis and stakeholder engagement helps develop more thorough understandings of it from the management viewpoint. Empirical findings and literature review also suggest that in the developing of industrial symbiosis the key aspect are the social characteristics such as a robust management structure, trust between partners and long-term commitment to the common goals that support the development of these symbioses. Also, communication and transparency supports the development of industrial symbiosis. For managerial contribution, this thesis presents organizational practices that can help managers to understand how they can engage in effective engagement with stakeholders in the development of industrial symbiosis.

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.

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.

Amino-acid cycling drives nitrogen fixation in the legume - Rhizobium symbiosis

The biological reduction of atmospheric N-2 to ammonium (nitrogen fixation) provides about 65% of the biosphere's available nitrogen. Most of this ammonium is contributed by legume rhizobia symbioses(1), which are initiated by the infection of legume hosts by bacteria (rhizobia), resulting in formation of root nodules. Within the nodules, rhizobia are found as bacteroids, which perform the nitrogen fixation: to do this, they obtain sources of carbon and energy from the plant, in the form of dicarboxylic acids(2,3). It has been thought that, in return, bacteroids simply provide the plant with ammonium. But here we show that a more complex amino-acid cycle is essential for symbiotic nitrogen fixation by Rhizobium in pea nodules. The plant provides amino acids to the bacteroids, enabling them to shut down their ammonium assimilation. In return, bacteroids act like plant organelles to cycle amino acids back to the plant for asparagine synthesis. The mutual dependence of this exchange prevents the symbiosis being dominated by the plant, and provides a selective pressure for the evolution of mutualism.

Glomus intraradices and Gigaspora margarita arbuscular mycorrhizal associations differentially affect nitrogen and potassium nutrition of Plantago lanceolata in a low fertility dune soil

Two controlled microcosm experiments aimed at a critical re-assessment of the contributions of divergent arbuscular mycorrhizal (AM) fungi to plant mineral nutrition were established that specifically targeted Plantago lanceolata–Glomus intraradices (B.B/E) and –Gigaspora margarita (BEG 34) symbioses developed in a native, nutrient limited, coastal dune soil. Plant tissue nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) status as well as plant growth parameters and levels of mycorrhizal colonization were assessed at harvest. In addition to the general well-established mycorrhizal facilitation of P uptake, the study was able to demonstrate a G. intraradices-specific contribution to improved plant nitrogen and potassium nutrition. In the two respective experiments, G. intraradices-inoculated plants had 27.8% and 40.8% more total N and 55.8% and 23.3% more total K when compared to Gi. margarita inoculated counterparts. Dissimilar overall contribution of the two isolates to plant nutrition was identified in AM-genus specific differences in plant tissue N:P:K ratios. G. intraradices inoculated and non-mycorrhizal plants generally exhibited N:P:K ratios indicative of P limitation whereas for Gi.margarita mycorrhizal plants, corresponding ratios strongly implied either N or K limitation. The study provides further evidence highlighting AM functional biodiversity in respect to plant nutrient limitation experienced by mycorrhizal P. lanceolata in an ecologically relevant soil system.

Molecular species delimitation of a symbiotic fig-pollinating wasp species complex reveals extreme deviation from reciprocal partner specificity

Background: Symbiotic relationships have contributed to major evolutionary innovations, the maintenance of fundamental ecosystem functions, and the generation and maintenance of biodiversity. However, the exact nature of host/symbiont associations, which has important consequences for their dynamics, is often poorly known due to limited understanding of symbiont taxonomy and species diversity. Among classical symbioses, figs and their pollinating wasps constitute a highly diverse keystone resource in tropical forest and savannah environments. Historically, they were considered to exemplify extreme reciprocal partner specificity (one-to-one host-symbiont species relationships), but recent work has revealed several more complex cases. However, there is a striking lack of studies with the specific aims of assessing symbiont diversity and how this varies across the geographic range of the host. Results: Here, we use molecular methods to investigate cryptic diversity in the pollinating wasps of a widespread Australian fig species. Standard barcoding genes and methods were not conclusive, but incorporation of phylogenetic analyses and a recently developed nuclear barcoding gene (ITS2), gave strong support for five pollinator species. Each pollinator species was most common in a different geographic region, emphasising the importance of wide geographic sampling to uncover diversity, and the scope for divergence in coevolutionary trajectories across the host plant range. In addition, most regions had multiple coexisting pollinators, raising the question of how they coexist in apparently similar or identical resource niches. Conclusion: Our study offers a striking example of extreme deviation from reciprocal partner specificity over the full geographical range of a fig-wasp system. It also suggests that superficially identical species may be able to co-exist in a mutualistic setting albeit at different frequencies in relation to their fig host’s range. We show that comprehensive sampling and molecular taxonomic techniques may be required to uncover the true structure of cryptic biodiversity underpinning intimate ecological interactions.