Variability in the Insect and Plant Adhesins, Mad1 and Mad2, within the Fungal Genus Metarhizium Suggest Plant Adaptation as an Evolutionary Force

Several species of the insect pathogenic fungus Metarhizium are associated with certain plant types and genome analyses suggested a bifunctional lifestyle; as an insect pathogen and as a plant symbiont. Here we wanted to explore whether there was more variation in genes devoted to plant association (Mad2) or to insect association (Mad1) overall in the genus Metarhizium. Greater divergence within the genus Metarhizium in one of these genes may provide evidence for whether host insect or plant is a driving force in adaptation and evolution in the genus Metarhizium. We compared differences in variation in the insect adhesin gene, Mad1, which enables attachment to insect cuticle, and the plant adhesin gene, Mad2, which enables attachment to plants. Overall variation for the Mad1 promoter region (7.1%), Mad1 open reading frame (6.7%), and Mad2 open reading frame (7.4%) were similar, while it was higher in the Mad2 promoter region (9.9%). Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions, while this level of variation was not found for Mad1. Sequences were also phylogenetically compared to EF-1a, which is used for species identification, in 14 isolates representing 7 different species in the genus Metarhizium. Phylogenetic analysis demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 59 EF-1a than Mad1. This would suggest that Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation, while it appears that Mad1 has been largely conserved. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, these results suggest that plant relationships, rather than insect host, have been a major driving factor in the divergence of the genus Metarhizium.

Trading nitrogen for carbon: Nitrogen and carbon translocation in a plant/fungal (Metarhizium spp.) symbiosis

While nitrogen is critical for all plants, they are unable to utilize organically bound nitrogen in soils. Therefore, the majority of plants obtain useable nitrogen through nitrogen fixing bacteria and the microbial decomposition of organic matter. In the majority of cases, symbiotic microorganisms directly furnish plant roots with inorganic forms of nitrogen. More than 80% of all land plants form intimate symbiotic relationships with root colonizing fungi. These common plant/fungal interactions have been defined largely through nutrient exchange, where the plant receives limiting soil nutrients, such as nitrogen, in exchange for plant derived carbon. Fungal endophytes are common plant colonizers. A number of these fungal species have a dual life cycle, meaning that they are not solely plant colonizers, but also saprophytes, insect pathogens, or plant pathogens. By using 15N labeled, Metarhizium infected, wax moth larvae (Galleria mellonella) in soil microcosms, I demonstrated that the common endophytic, insect pathogenic fungi Metarhizium spp. are able to infect living soil borne insects, and subsequently colonize plant roots and furnish ts plant host with useable, insect-derived nitrogen. In addition, I showed that another ecologically important, endophytic, insect pathogenic fungi, Beauveria bassiana, is able to transfer insect-derived nitrogen to its plant host. I demonstrated that these relationships between various plant species and endophytic, insect pathogenic fungi help to improve overall plant health. By using 13C-labeled CO2, added to airtight plant growth chambers, coupled with nuclear magnetic resosnance spectroscopy, I was able to track the movement of carbon from the atmosphere, into the plant, and finally into the root colonized fungal biomass. This indicates that Metarhizium exists in a symbiotic partnership with plants, where insect nitrogen is exchanged for plant carbon. Overall these studies provide the first evidence of nutrient exchange between an insect pathogenic fungus and plants, a relationship that has potentially useful implications on plant primary production, soil health, and overall ecosystem stability.

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.

Potentiel du spinosad et de Beauveria bassiana comme agents de lutte contre le ver gris (Agrotis ipsilon)

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

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

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

Conception, synthèse et caractérisation de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles pour encapsuler des principes actifs hydrophobes

La vectorisation des médicaments est une approche très prometteuse tant sur le plan médical qu’économique pour la livraison des substances actives ayant une faible biodisponibilité. Dans ce contexte, les polymères en étoile et les dendrimères, macromolécules symétriques et branchées, semblent être les solutions de vectorisation les plus attrayantes. En effet, ces structures peuvent combiner efficacement une stabilité élevée dans les milieux biologiques à une capacité d’encapsulation des principes actifs. Grâce à leur architecture bien définie, ils permettent d’atteindre un très haut niveau de reproductibilité de résultats, tout en évitant le problème de polydispersité. Bien que des nombreuses structures dendritiques aient été proposées ces dernières années, il est cependant à noter que la conception de nouveaux nanovecteurs dendritiques efficaces est toujours d’actualité. Ceci s’explique par des nombreuses raisons telles que celles liées à la biocompatibilité, l’efficacité d’encapsulation des agents thérapeutiques, ainsi que par des raisons économiques. Dans ce projet, de nouvelles macromolécules branchées biocompatibles ont été conçues, synthétisées et évaluées. Pour augmenter leur efficacité en tant qu’agents d’encapsulations des principes actifs hydrophobes, les structures de ces macromolécules incluent un coeur central hydrophobe à base de porphyrine, décanediol ou trioléine modifié et, également, une couche externe hydrophile à base d’acide succinique et de polyéthylène glycol. Le choix des éléments structuraux de futures dendrimères a été basé sur les données de biocompatibilité, les résultats de nos travaux de synthèse préliminaires, ainsi que les résultats de simulation in silico réalisée par une méthode de mécanique moléculaire. Ces travaux ont permis de choisir des composés les plus prometteurs pour former efficacement et d’une manière bien contrôlable des macromolécules polyesters. Ils ont aussi permis d’évaluer au préalable la capacité de futurs dendrimères de capter une molécule médicamenteuse (itraconazole). Durant cette étape, plusieurs nouveaux composés intermédiaires ont été obtenus. L’optimisation des conditions menant à des rendements réactionnels élevés a été réalisée. En se basant sur les travaux préliminaires, l’assemblage de nouveaux dendrimères de première et de deuxième génération a été effectué, en utilisant les approches de synthèse divergente et convergente. La structure de nouveaux composés a été prouvée par les techniques RMN du proton et du carbone 13C, spectroscopie FTIR, UV-Vis, analyse élémentaire, spectrométrie de masse et GPC. La biocompatibilité de produits a été évaluée par les tests de cytotoxicité avec le MTT sur les macrophages murins RAW-262.7. La capacité d’encapsuler les principes actifs hydrophobes a été étudiée par les tests avec l’itraconazole, un antifongique puissant mais peu biodisponible. La taille de nanoparticules formées dans les solutions aqueuses a été mesurée par la technique DLS. Ces mesures ont montré que toutes les structures dendritiques ont tendance à former des micelles, ce qui exclue leurs applications en tant que nanocapsules unimoléculaires. L’activité antifongique des formulations d’itraconazole encapsulé avec les dendrimères a été étudiée sur une espèce d’un champignon pathogène Candida albicans. Ces tests ont permis de conclure que pour assurer l’efficacité du traitement, un meilleur contrôle sur le relargage du principe actif était nécessaire.

Extracellular beta-Glucosidase production by marine Aspergillus sydowii BTMFS 55

The beta-glucosidase enzyme purified from the marine fungus, Aspergillus sydowii BTMFS 55 showed a good yield of enzyme production under solid state fermentation. The statistical optimization of the media components revealed that moisture content, concentration of peptone and inoculum are the major parameters which supported the maximal enzyme production. The purified enzyme showed low pH activity and stability, glucose tolerance and activation by ethanol. It could produce ethanol from wheat bran and rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with yeast.The glucosidase purified from Aspergillus sydowii BTMFS 55 shows great potential for several biotechnological applications such as the production of bio-ethanol from agricultural biomass and improvement in the aromatic character of wines and fruit juices through the hydrolysis of flavour glucosidic precursors. There is immense scope for the application of this marine fungus in the biofuel production besides in other industries provided further studies are pursued in exploiting this enzyme and the organism particularly scale up studies with respect to application. There is also ample scope for cloning of the gene encoding beta-glucosidase in domesticated hosts such as Pichia pastoris or S. cerevisiae that can produce ethanol directly from cellulosic biomass.

Biochemical and Biotechnological investigations on the water-fern Salvinia molesta Mitchell

The present work is focussed mainly on the utilization of this weed-biomass on a biochemical and biotechnological basis. Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential. Hence, as the preliminary part of the experimental works, samples of Salvinia were analysed for its chemical constituents.Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential .The composition of the substrate contributes much to the nutritive value of mushrooms. Hence, alterations in the nutritive value of mushrooms (in terms of total carbohydrates, proteins, lipids and minerals) in response to Salvinia as substrate were analyzed.Substrate after mushroom harvest (spent substrate) can be utilized for various purposes such as cattle feed, as a source of degradative enzymes, as a substrate for other mushrooms and as garden manure. But studies are limited with regard to the utilization of Pleurotus spent substrate as garden manure. So the value of spent substrate as an organic supplement and its multidimensional impacts on soil chemical status, soil microbial population dynamics and plant growth (Amhurium andreanum) were carried out.Major findings of this work have got much relevance in designing measures to utilize different types of plant biomass, especially aquatic weeds, with the aid of a powerful biological tool, the lignocellulolytic fungus, Pleurorus

Chitinase production by.marine fungi

In this thesis an attempt is made to explore the potential of marine fungi for the production of chitinolytic enzymes and to recognize the ability to hydrolyse native chitin through submerged as well as solid substrate fermentation culture conditions, using wheat bran and shellfish processing waste such as ‘prawn waste’ as solid substrates. Attempt was made to isolate a potential chitinase producing fungus from marine environment and to develop an ideal bioprocess for the production ofchitolytic enzymes.Present study indicate scope for utilization of B. bassiana for industrial production of chitinase using prawn waste as solid substrate employing solid substrate fermentation.

“Studies on glucose tolerant β-glucosidases from a novel Byssochlamys fulva and their applications in biomass to ethanol conversion”

Beta-glucosidases are critical enzymes in biomass hydrolysis process and is important in creating highly efficient enzyme cocktails for the bio-ethanol industry. Among the two strategies proposed for overcoming the glucose inhibition of commercial cellulases, one is to use heavy dose of BGL in the enzyme blends and the second is to do simultaneous saccharification and fermentation where glucose is converted to alcohol as soon as it is being generated. While the former needs extremely high quantities of enzyme, the latter is inefficient since the conditions for hydrolysis and fermentation are different. This makes the process technically challenging and also in this case, the alcohol generation is lesser, making its recovery difficult. A third option is to use glucose tolerant β-glucosidases which can work at elevated glucose concentrations. However, there are very few reports on such enzymes from microbial sources especially filamentous fungi which can be cultivated on cheap biomass as raw material. There has been very less number of studies directed at this, though there is every possibility that filamentous fungi that are efficient degraders of biomass may harbor such enzymes. The study therefore aimed at isolating a fungus capable of secreting glucose tolerant β- glucosidase enzyme. Production, characterization of β-glucosidases and application of BGL for bioethanol production were attempted.

Depth wise variation of microbial load in the soils of midland region of Kerala: a function of important soil physicochemical characteristics and nutrients

Soil microorganisms play a main part in organic matter decomposition and are consequently necessary to soil ecosystem processes maintaining primary productivity of plants. In light of current concerns about the impact of cultivation and climate change on biodiversity and ecosystem performance, it is vital to expand a complete understanding of the microbial community ecology in our soils. In the present study we measured the depth wise profile of microbial load in relation with important soil physicochemical characteristics (soil temperature, soil pH, moisture content, organic carbon and available NPK) of the soil samples collected from Mahatma Gandhi University Campus, Kottayam (midland region of Kerala). Soil cores (30 cm deep) were taken and the cores were separated into three 10-cm depths to examine depth wise distribution. In the present study, bacterial load ranged from 141×105 to 271×105 CFU/g (10cm depth), from 80×105 to 131×105 CFU/g (20cm depth) and from 260×104 to 47×105 CFU/g (30cm depth). Fungal load varies from 124×103 to 27×104 CFU/g, from 61×103 to110×103 CFU/g and from 16×103 to 49×103 CFU/g at 10, 20 and 30 cm respectively. Actinomycetes count ranged from 129×103 to 60×104 CFU/g (10cm), from 70×103 to 31×104 CFU/g (20cm) and from 14×103 to 66×103 CFU/g (30cm). The study revealed that there was a significant difference in the depthwise distribution of microbial load and soil physico-chemical properties. Bacterial, fungal and actinomycetes load showed a decreasing trend with increasing depth at all the sites. Except pH all other physicochemical properties showed decreasing trend with increasing depth. The vertical profile of total microbial load was well matched with the depthwise profiles of soil nutrients and organic carbon that is microbial load was highest at the soil surface where organics and nutrients were highest

Spatial and Temporal Variation of Microbial Population in the Grassland Soils of Tropical Montane Forest: Influence of Soil Physico-Chemical Characteristics and Nutrients

Present study is focused on the spatiotemporal variation of the microbial population (bacteria, fungus and actinomycetes) in the grassland soils of tropical montane forest and its relation with important soil physico-chemical characteristics and nutrients. Different physico-chemical properties of the soil such as temperature, moisture content, organic carbon, available nitrogen, available phosphorous and available potassium have been studied. Results of the present study revealed that both microbial load and soil characteristics showed spatiotemporal variation. Microbial population of the grassland soils were characterized by high load of bacteria followed by fungus and actinomycetes. Microbial load was high during pre monsoon season, followed by post monsoon and monsoon. The microbial load varied with important soil physico-chemical properties and nutrients. Organic carbon content, available nitrogen and available phosphorous were positively correlated with bacterial load and the correlation is significant at 0.05 and 0.01 levels respectively. Available nitrogen and available phosphorous were positively correlated with fungus at 0.05 level significance. Moisture content was negatively correlated with actinomycetes at 0.01 level of significance. Organic carbon negatively correlated with actinomycetes load at 0.05 level of significance

Potential application of β-1, 3 glucanase from an environmental isolate of Pseudomonas aeruginosa MCCB 123 in fungal DNA extraction

Pseudomonas aeruginosa MCCB 123 was grown in a synthetic medium for β-1,3 glucanase production. From the culture filtrate, β-1,3 glucanase was purified with a molecular mass of 45 kDa. The enzyme was a metallozyme as its β-1,3 glucanase activity got inhibited by the metal chelator EDTA. Optimum pH and temperature for β-1,3 glucanase activity on laminarin was found to be 7 and 50 °C respectively. The MCCB 123 β-1,3 glucanase was found to have good lytic action on a wide range of fungal isolates, and hence its application in fungal DNA extraction was evaluated. β-1,3 glucanase purified from the culture supernatant of P. aeruginosa MCCB 123 could be used for the extraction of fungal DNA without the addition of any other reagents generally used. Optimum pH and temperature of enzyme for fungal DNA extraction was found to be 7 and 65 °C respectively. This is the first report on β-1,3 glucanase employed in fungal DNA extraction

Impact of process parameters on chitinase production by an alkalophilic marine Beau6eria bassiana in solid state fermentation

A chitinolytic fungus, Beau6eria bassiana was isolated from marine sediment and significant process parameters influencing chitinase production in solid state fermentation using wheat bran were optimised. The organism was strongly alkalophilic and produced maximum chitinase at pH 9·20. The NaCl and colloidal chitin requirements varied with the type of moistening medium used. Vegetative (mycelial) inoculum was more suitable than conidial inoculum for obtaining maximal enzyme yield. The addition of phosphate and yeast extract resulted in enhancement of chitinase yield. After optimisation, the maximum enzyme yield was 246·6 units g 1 initial dry substrate (U gIDS 1). This is the first report of the production of chitinase from a marine fungus.

L-Glutaminase production by marine Beau6eria sp. under solid state fermentation

Extracellular L-glutaminase production by Beau6eria sp., isolated from marine sediment, was observed during solid state fermentation using polystyrene as an inert support. Maximal enzyme production (49.89 U:ml) occurred at pH 9.0, 27°C, in a seawater based medium supplemented with L-glutamine (0.25% w:v) as substrate and D-glucose (0.5% w:v) as additional carbon source, after 96 h of incubation. Enzyme production was growth associated. Results indicate scope for production of salt tolerant L-glutaminase using this marine fungus