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.

The role of community and population ecology in applying mycorrhizal fungi for improved food security.

The global human population is expected to reach ∼9 billion by 2050. Feeding this many people represents a major challenge requiring global crop yield increases of up to 100%. Microbial symbionts of plants such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) represent a huge, but unrealized resource for improving yields of globally important crops, especially in the tropics. We argue that the application of AMF in agriculture is too simplistic and ignores basic ecological principals. To achieve this challenge, a community and population ecology approach can contribute greatly. First, ecologists could significantly improve our understanding of the determinants of the survival of introduced AMF, the role of adaptability and intraspecific diversity of AMF and whether inoculation has a direct or indirect effect on plant production. Second, we call for extensive metagenomics as well as population genomics studies that are crucial to assess the environmental impact that introduction of non-local AMF may have on native AMF communities and populations. Finally, we plead for an ecologically sound use of AMF in efforts to increase food security at a global scale in a sustainable manner.

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

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

Active tectonics of the Alhama de Murcia fault, Betic Cordillera, Spain

We present an overview of the knowledge of the structure and the seismic behavior of the Alhama de Murcia Fault (AMF). We utilize a fault traces map created from a LIDAR DEM combined with the geodynamic setting, the analysis of the morphology, the distribution of seismicity, the geological information from E 1:50000 geological maps and the available paleoseismic data to describe the recent activity of the AMF. We discuss the importance of uncertainties regarding the structure and kinematics of the AMF applied to the interpretation and spatial correlation of the paleoseismic data. In particular, we discuss the nature of the faults dipping to the SE (antithetic to the main faults of the AMF) in several segments that have been studied in the previous paleoseismic works. A special chapter is dedicated to the analysis of the tectonic source of the Lorca 2011 earthquake that took place in between two large segments of the fault.

Retenção de metais pesados em micélio de fungos micorrízicos arbusculares

This work evaluated the kinetics as well as the retention capacity of Cu, Zn, Cd, and Pb by arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) mycelium. The metal retention is a fast process with Cu being retained 3, 30, and 60 times faster than Zn, Cd, and Pb, respectively. Metal retention capacity varied amongst the different tested AMF species and decreased in the following order: Cu>Zn>>Cd>Pb. The Glomus clarum mycelium showed the highest retention capacity for Cu, Cd and Pb, whereas Zn was mostly retained by Gigaspora gigantea mycelium. The simultaneous application of all tested metals in solution decreased Cu and Zn retention by AMF mycelium. The high retention capacity of Cu and Zn by mycelium of G. clarum and G. gigantea suggests a promising use of these isolates in phytoremediation.

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

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

PLANT GROWTH-PROMOTING MICROBIAL INOCULANT FOR Schizolobium parahyba pv. parahyba

ABSTRACTSchizolobium parahyba pv. amazonicum (Huber ex Ducke) Barneby (paricá) occurs naturally in the Amazon and is significant commercial importance due to its rapid growth and excellent performance on cropping systems. The aim of this paper was to evaluate a microbial inoculants such as arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) and Rhizobium sp. that promote plant growth. The inocula was 10 g of root colonized and spores of Glomus clarum and/or 1 mL of cell suspension (107 CFU/mL) of Rhizobium sp. and/or 100 g of chemical fertilizer NPK 20-05-20 per planting hole. The experimental design was complete randomized blocks with five replications and eight treatments (n = 800). Plant height, stem diameter and plant survival were measured. The results were tested for normality and homogeneity of variances and analyzed by ANOVA and Tukey test (p < 0.05). Rhizobium sp and AM fungi showed no effect on plant growth. Environmental factors probably influenced the effectiveness of symbiosis of both microorganisms and plant growth. The chemical fertilizer increased S. parahyba growth. During the first 120 days plants suffered with drought and frost, and at 180 days plants inoculated with microorganism plus chemical fertilizer showed higher survival when compared with control. The results showed that the microbial inoculants used showed an important role on plant survival after high stress conditions, but not in plant growth. Also was concluded that the planting time should be between November to December to avoid the presence of young plants during winter time that is dry and cold.

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

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

Variabilidade espacial da textura de um latossolo vermelho eutroférrico sob cultivo de cana-de-açúcar

Estudos regionais mais detalhados, utilizando modelos de paisagem e geoestatística, têm demonstrado que, em áreas consideradas homogêneas, sob uma única classe de solo, existe dependência espacial de atributos granulométricos. Visando a avaliar a variabilidade espacial de atributos granulométricos em Latossolo Vermelho eutroférrico, foram feitas amostragens do solo em intervalos regulares de 50 m, em forma de malha, totalizando 306 pontos de amostragem. Foram coletadas amostras nas profundidades de 0-0,2 m e 0,6-0,8 m para a determinação da argila, silte, areia total (AT), areia grossa (AG), areia média (AM), areia fina (AF) e areia muito fina (AMF). Os dados foram submetidos à análise estatística descritiva, geoestatística e interpolação por krigagem. Os valores do coeficiente de variação apresentaram-se baixos para argila, médios para silte, AT, AF, AM e AMF e altos para AG. Observou-se ocorrência de dependência espacial para todas as variáveis com grau moderado de dependência espacial, com os maiores alcances ocorrendo na profundidade de 0-0,2 m. Os latossolos, apesar de serem homogêneos, mesmo em áreas de mesma classe de solo e manejo, apresentaram variabilidade diferenciada para os atributos granulométricos.

Glyphosate drift affects arbuscular mycorrhizal association in coffee

Mycorrhizal association promotes better survival and nutrition of colonized seedling on field, and consequently, increasing of productivity. However, the weed management can interfere on this association, due to incorrect use of glyphosate. This work has assessed the effects of glyphosate drift on the growth and nutrition of arabica coffee plants (Catuaí Vermelho - IAC 99) colonized with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). The experiment was conducted in 2 x 5 factorial scheme, and included inoculated and non-inoculated plants, and five glyphosate subdoses (0.0, 57.6, 115.2, 230.4, and 460.8 g ha-1 of glyphosate), in randomized blocks with five replication. The inoculation was carried during the greenhouse phase of seedlings production with a mixture of Rhizophagus clarus and Gigaspora margarita, and after to transplanting, when the plants had seven pairs of leaves, glyphosate subdoses were applied. The product caused intoxication in up to 60% of non-inoculated and 45% on inoculated plants, when the highest dose of 460.8 g a.e. ha-1 was applied. A negative effect was noted on the growth and phosphorus content of coffee plants, this effect increased depending on glyphosate subdose, but regardless of inoculation. Glyphosate drift reduces the growth and nutrition of plants colonized by species of AMF and native fungi, negatively affecting root colonization of plants treated.

Soil microorganisms and their role in the interactions between weeds and crops

The competition between weeds and crops is a topic of great interest, since this interaction can cause heavy losses in agriculture. Despite the existence of some studies on this subject, little is known about the importance of soil microorganisms in the modulation of weed-crop interactions. Plants compete for water and nutrients in the soil and the ability of a given species to use the available resources may be directly affected by the presence of some microbial groups commonly found in the soil. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are able to associate with plant roots and affect the ability of different species to absorb water and nutrients from the soil, promoting changes in plant growth. Other groups may promote positive or negative changes in plant growth, depending on the identity of the microbial and plant partners involved in the different interactions, changing the competitive ability of a given species. Recent studies have shown that weeds are able to associate with mycorrhizal fungi in agricultural environments, and root colonization by these fungi is affected by the presence of other weeds or crops species. In addition, weeds tend to have positive interactions with soil microorganisms while cultures may have neutral or negative interactions. Competition between weeds and crops promotes changes in the soil microbial community, which becomes different from that observed in monocultures, thus affecting the competitive ability of plants. When grown in competition, weeds and crops have different behaviors related to soil microorganisms, and the weeds seem to show greater dependence on associations with members of the soil microbiota to increase growth. These data demonstrate the importance of soil microorganisms in the modulation of the interactions between weeds and crops in agricultural environments. New perspectives and hypotheses are presented to guide future research in this area.

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

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

Étude du polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline chez des espèces de champignons mycorhiziens à arbuscules en vue de développer des marqueurs moléculaires

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA), classés dans le phylum Glomeromycota, ne peuvent pas être facilement identifiés par la morphologie de leurs spores et leurs mycélia à l'intérieur ou à l'extérieur des racines de leurs hôtes. Ce problème fondamental d'identification rend l'étude de leur diversité, en particulier dans leur habitat naturel (sol et racine) extrêmement difficile. Les gènes ribosomaux ont été largement utilisés pour développer des amorces spécifiques et en inférer des arbres phylogénétiques. Cependant, ces gènes sont très polymorphes et existent en plusieurs copies dans le génome des CMA, ce qui complique l’interprétation des résultats. Dans notre étude, nous avons étudié le polymorphisme intra- et inter-spécifique du gène β-tubuline, présent en faible nombre de copies dans le génome des CMA, afin d’obtenir de nouvelles séquences nucléotidiques pour développer des marqueurs moléculaires. Les gènes β-tubuline amplifiés à partir de l'ADN génomique de cinq espèces du genre Glomus ont été clonés et séquencés. L’analyse des séquences indique un polymorphisme intraspécifique chez trois espèces de CMA. Deux séquences paralogues très variables ont été nouvellement identifiées chez les G. aggregatum, G. fasciculatum et G. cerebriforme. Aucun polymorphisme n’a été détecté chez les G. clarum et G. etunicatum. Toutes les séquences montrent la présence de deux introns hautement variables. La majorité des substitutions ont été localisées dans les exons et sont synonymes à 90%. La conservation des acides aminés suggère un niveau élevé de sélection négative sur le gène β-tubuline et nous permet de confirmer que les CMA représentent un ancien groupe fongique (400 million d’années). L’analyse phylogénétique, réalisée avec vingt et une séquences nucléotidiques du gène β-tubuline, a révélé que les séquences des Glomaceae forment un groupe monophylétique bien supporté, avec les Acaulosporaceae et Gigasporaceae comme groupe frère. Les séquences paralogues nouvellement identifiées chez les G. aggregatum et G. fasciculatum n'ont pas été monophylétiques au sein de chaque espèce. Les oligonucléotides ont été choisis sur la base des régions variables et conservées du gène β-tubuline. Le test PCR des amorces β-Tub.cerb.F/ β-Tub.cerb.R a révélé des bandes spécifiques de 401 pb pour les séquences paralogues du G. cerebriforme. Deux paires d’amorces ont été développées afin d’identifier les séquences du groupe nommé Tub.1. Les tests PCR nous ont permis d’identifier certaines séquences du groupe Tub.1. Une paire d’amorce β-Tub.2.F/ β-Tub.2.R nous a permis d’identifier certaines séquences paralogues du groupe nommé Tub.2. L’analyse d’autres gènes combinée à celle du gène β-tubuline permettra le développement de marqueurs moléculaires plus spécifiques pour l’identification de CMA.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Étude de l’interaction entre le champignon mycorhizien Glomus irregulare et les bactéries du sol

Dans cette étude, nous avons isolé et cultivé des bactéries intimement liées aux spores du champignon mycorhizien Glomus irregulare prélevées dans la rhizosphère de plants d’Agrostis stolonifera L. récoltés dans un sol naturel. Le séquençage des 29 morphotypes isolés a révélé la présence de seulement sept taxons bactériens (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus et Kocuria rhizophila). Des isolats de chacun de ces sept taxons ont ensuite été cultivés in vitro sur le mycélium de G. irregulare afin d’observer par microscopie leur capacité à croitre et à s’attacher au mycélium en absence d’éléments nutritifs autres que ceux fournis par le champignon. Tous les isolats, sauf B. cereus, ont été capables de bien croitre dans le système expérimental et de s’attacher au mycélium en formant des structures ressemblant à des biofilms sur la surface du champignon. Toutefois, B. simplex formait ces structures plus rapidement, soit en 15 jours, alors que les autres isolats les ont formés après 30 jours (K. rhizophila et B. megaterium) ou 45 jours (V. paradoxus, M. ginsengiosoli et Sphingomonas sp.). D’autre part, la technique PCR-DGGE a permis d’analyser la diversité bactérienne associée aux spores. La diversité des taxons associés aux spores de G. irregulare qu’il a été possible d’isoler et de cultiver in vitro a été nettement moindre que celle qui était présente sur la surface des spores, alors que la biodiversité bactérienne totale du sol a été encore beaucoup plus élevée. Les bactéries associées aux champignons mycorhiziens jouent probablement un rôle important dans la capacité des plantes à résister aux stress biotiques et abiotiques auxquels elles sont soumises.