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.

Effects of diverse plant species on the bioavailability of contaminants in soil

La phytoremédiation constitue une technologie alternative pour le traitement de sols contaminés en métaux. Toutefois, la biodisponibilité des métaux dans le sol peut limiter l’efficacité de cette approche. Nous émettons l’hypothèse que diverses espèces de plante, caractérisées par systèmes racinaires différents, peuvent affecter différemment la biodisponibilité des éléments traces (ET) dans le sol. Une étude utilisant un dispositif expérimental en bloc aléatoire complet avec cinq réplicats a été conduite entre le 6 juin et le 3 septembre 2014, sur le site du Jardin botanique de Montréal. Dans ce contexte, l’impact de la présence de huit espèces de plantes, herbacées ou ligneuses, sur le pool labile de six métaux (Ag, Cu, Pd, Zn, Ni et Se) dans la rhizosphère de celles-ci a été étudié. Après trois mois de culture, la biomasse aérienne et souterraine de chaque espèce a été mesurée et la concentration en ET dans les tissus des plantes a été analysée. La fraction labile de ces ET dans la rhizosphère (potentiellement celle qui serait biodisponible) de même que d’autres paramètres édaphiques (le pH, la conductivité, le pourcentage de matière organique et le carbone organique dissous (COD)) ont aussi été mesurés et comparés en fonction de la présence d’une ou l’autre des espèces utilisées. Les résultats montrent que pour la plupart des plantes testées, les plus fortes concentrations en ET ont été trouvées dans les racines alors que les plus faibles niveaux s’observaient dans les parties aériennes, sauf pour le Ni dans le Salix nigra. Ceci suggère que le Ni peut être extrait du sol par des récoltes régulières des tiges et des feuilles de cette espèce de saule. Les pools labiles de l’Ag, Ni et du Cu dans la rhizosphère étaient significativement et différemment affectés par la présence des plantes. Toutefois, la présence des plantes testées n’a pas affecté certains paramètres clés de la rhizosphère (ex. le pH, conductivité, et le pourcentage de matière organique). À l’opposé, les niveaux de COD dans la rhizosphère de toutes les plantes testées se sont révélés supérieurs en comparaison des témoins (sols non plantés). De plus, une corrélation positive a pu être établie entre la concentration disponible du Ni et la concentration en COD. Une relation similaire a été déterminée pour le Cu. Ceci suggère que certains systèmes racinaires pourraient modifier les niveaux de COD et avoir un impact indirect sur les pools labiles des ET dans le sol.

Tissue culture propagation alters plant-microbe interactions in tobacco rhizosphere

We have compared properties of roots from different lines (genotypes) of tobacco raised either in tissue culture or grown from seed. The different lines included unmodified plants and plants modified to express reduced activity of the enzyme cinnamoyl-CoA reductase, which has a pivotal role in lignin biosynthesis. The size and structure of the rhizosphere microbial community, characterized by adenosine triphosphate and phospholipid fatty acid analyses, were related to root chemistry (specifically the soluble carbohydrate concentration) and decomposition rate of the roots. The root material from unmodified plants decomposed faster following tissue culture compared with seed culture, and the faster decomposing material had significantly higher soluble carbohydrate concentrations. These observations are linked to the larger microbial biomass and greater diversity of the rhizosphere communities of tissue culture propagated plants.

Tissue culture propagation alters plant-microbe interactions in tobacco rhizosphere

We have compared properties of roots from different lines (genotypes) of tobacco raised either in tissue culture or grown from seed. The different lines included unmodified plants and plants modified to express reduced activity of the enzyme cinnamoyl-CoA reductase, which has a pivotal role in lignin biosynthesis. The size and structure of the rhizosphere microbial community, characterized by adenosine triphosphate and phospholipid fatty acid analyses, were related to root chemistry (specifically the soluble carbohydrate concentration) and decomposition rate of the roots. The root material from unmodified plants decomposed faster following tissue culture compared with seed culture, and the faster decomposing material had significantly higher soluble carbohydrate concentrations. These observations are linked to the larger microbial biomass and greater diversity of the rhizosphere communities of tissue culture propagated plants.

The plant energy-dissipating mitochondrial systems: Depicting the genomic structure and the expression profiles of the gene families of uncoupling protein and alternative oxidase in monocots and dicots

The simultaneous existence of alternative oxidases and uncoupling proteins in plants has raised the question as to why plants need two energy-dissipating systems with apparently similar physiological functions. A probably complete plant uncoupling protein gene family is described and the expression profiles of this family compared with the multigene family of alternative oxidases in Arabidopsis thaliana and sugarcane (Saccharum sp.) employed as dicot and monocot models, respectively. In total, six uncoupling protein genes, AtPUMP1-6, were recognized within the Arabidopsis genome and five (SsPUMP1-5) in a sugarcane EST database. The recombinant AtPUMP5 protein displayed similar biochemical properties as AtPUMP1. Sugarcane possessed four Arabidopsis AOx1-type orthologues (SsAOx1a-1d); no sugarcane orthologue corresponding to Arabidopsis AOx2-type genes was identified. Phylogenetic and expression analyses suggested that AtAOx1d does not belong to the AOx1-type family but forms a new (AOx3-type) family. Tissue-enriched expression profiling revealed that uncoupling protein genes were expressed more ubiquitously than the alternative oxidase genes. Distinct expression patterns among gene family members were observed between monocots and dicots and during chilling stress. These findings suggest that the members of each energy-dissipating system are subject to different cell or tissue/organ transcriptional regulation. As a result, plants may respond more flexibly to adverse biotic and abiotic conditions, in which oxidative stress is involved. © The Author [2006]. Published by Oxford University Press [on behalf of the Society for Experimental Biology]. All rights reserved.

The role of multiple partners in a digestive mutualism with a protocarnivorous plant

Background and aimsThe protocarnivorous plant Paepalanthus bromelioides (Eriocaulaceae) is similar to bromeliads in that this plant has a rosette-like structure that allows rainwater to accumulate in leaf axils (i.e. phytotelmata). Although the rosettes of P. bromelioides are commonly inhabited by predators (e.g. spiders), their roots are wrapped by a cylindrical termite mound that grows beneath the rosette. In this study it is predicted that these plants can derive nutrients from recycling processes carried out by termites and from predation events that take place inside the rosette. It is also predicted that bacteria living in phytotelmata can accelerate nutrient cycling derived from predators.MethodsThe predictions were tested by surveying plants and animals, and also by performing field experiments in rocky fields from Serra do Cipó, Brazil, using natural abundance and enriched isotopes of 15N. Laboratory bioassays were also conducted to test proteolytic activities of bacteria from P. bromelioides rosettes.Key ResultsAnalyses of 15N in natural nitrogen abundances showed that the isotopic signature of P. bromelioides is similar to that of carnivorous plants and higher than that of non-carnivorous plants in the study area. Linear mixing models showed that predatory activities on the rosettes (i.e. spider faeces and prey carcass) resulted in overall nitrogen contributions of 26·5 % (a top-down flux). Although nitrogen flux was not detected from termites to plants via decomposition of labelled cardboard, the data on 15N in natural nitrogen abundance indicated that 67 % of nitrogen from P. bromelioides is derived from termites (a bottom-up flux). Bacteria did not affect nutrient cycling or nitrogen uptake from prey carcasses and spider faeces.ConclusionsThe results suggest that P. bromelioides derive nitrogen from associated predators and termites, despite differences in nitrogen cycling velocities, which seem to have been higher in nitrogen derived from predators (leaves) than from termites (roots). This is the first study that demonstrates partitioning effects from multiple partners in a digestion-based mutualism. Despite most of the nitrogen being absorbed through their roots (via termites), P. bromelioides has all the attributes necessary to be considered as a carnivorous plant in the context of digestive mutualism. © 2012 The Author. Published by Oxford University Press on behalf of the Annals of Botany Company. All rights reserved.

A metabolic pathway assembled by enzyme selection may support herbivory of leaf-cutter ants on plant starch

Mutualistic associations shape the evolution in different organism groups. The association between the leaf-cutter ant Atta sexdens and the basidiomycete fungus Leucoagaricus gongylophorus has enabled them to degrade starch from plant material generating glucose, which is a major food source for both mutualists. Starch degradation is promoted by enzymes contained in the fecal fluid that ants deposit on the fungus culture in cut leaves inside the nests. To understand the dynamics of starch degradation in ant nests, we purified and characterized starch degrading enzymes from the ant fecal fluid and from laboratory cultures of L. gongylophorus and found that the ants intestine positively selects fungal α-amylase and a maltase likely produced by the ants, as a negative selection is imposed to fungal maltase and ant α-amylases. Selected enzymes are more resistant to catabolic repression by glucose and proposed to structure a metabolic pathway in which the fungal α-amylase initiates starch catalysis to generate byproducts which are sequentially degraded by the maltase to produce glucose. The pathway is responsible for effective degradation of starch and proposed to represent a major evolutionary innovation enabling efficient starch assimilation from plant material by leaf-cutters. © 2013 Elsevier Ltd.

Shifts in microbial communities do not explain the response of grassland ecosystem function to plant functional composition and rainfall change

Ecosystem functioning in grasslands is regulated by a range of biotic and abiotic factors, and the role of microbial communities in regulating ecosystem function has been the subject of much recent scrutiny. However, there are still knowledge gaps regarding the impacts of rainfall and vegetation change upon microbial communities and the implications of these changes for ecosystem functioning. We investigated this issue using data from an experimental mesotrophic grassland study in south-east England, which had been subjected to four years of rainfall and plant functional composition manipulations. Soil respiration, nitrogen and phosphorus stocks were measured, and the abundance and community structure of soil microbes were characterised using quantitative PCR and multiplex-TRFLP analysis, respectively. Bacterial community structure was strongly related to the plant functional composition treatments, but not the rainfall treatment. However, there was a strong effect of both rainfall change and plant functional group upon bacterial abundance. There was also a weak interactive effect of the two treatments upon fungal community structure, although fungal abundance was not affected by either treatment. Next, we used a statistical approach to assess whether treatment effects on ecosystem function were regulated by the microbial community. Our results revealed that ecosystem function was influenced by the experimental treatments, but was not related to associated changes to the microbial community. Overall, these results indicate that changes in fungal and bacterial community structure and abundance play a relatively minor role in determining grassland ecosystem function responses to precipitation and plant functional composition change, and that direct effects on soil physical and chemical properties and upon plant and microbial physiology may play a more important role.