A concern with organic farming is for the depletion of soil phosphorus. The objectives of this study were to determine which organic management systems deplete soil phosphorus and whether arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) could assist crops in taking up phosphorus in these systems. The research site was a 14 year-old study at Glenlea, Manitoba, having 3 different 4-year rotations under organic and conventional management: forage-grain ± manure-compost, grain-only, and a restored tall grass prairie. The modified Hedley procedure revealed organic systems to have lower concentrations of labile phosphorus than conventional but recalcitrant fractions did not differ (P < 0.05). Nitrogen was limiting in the organic grain-only rotation; phosphorus in the organic forage-grain. Mycorrhizal colonization as arbuscules was higher in organic than conventional systems (P < 0.05). To prevent phosphorus limitation, we suggest high-export organic rotations be balanced with sufficient rates of manure-compost and AMF maintained to help with phosphorus absorption. / May 2007

A concern with organic farming is for the depletion of soil phosphorus. The objectives of this study were to determine which organic management systems deplete soil phosphorus and whether arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) could assist crops in taking up phosphorus in these systems. The research site was a 14 year-old study at Glenlea, Manitoba, having 3 different 4-year rotations under organic and conventional management: forage-grain ± manure-compost, grain-only, and a restored tall grass prairie. The modified Hedley procedure revealed organic systems to have lower concentrations of labile phosphorus than conventional but recalcitrant fractions did not differ (P < 0.05). Nitrogen was limiting in the organic grain-only rotation; phosphorus in the organic forage-grain. Mycorrhizal colonization as arbuscules was higher in organic than conventional systems (P < 0.05). To prevent phosphorus limitation, we suggest high-export organic rotations be balanced with sufficient rates of manure-compost and AMF maintained to help with phosphorus absorption.

A concern with organic farming is for the depletion of soil phosphorus. The objectives of this study were to determine which organic management systems deplete soil phosphorus and whether arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) could assist crops in taking up phosphorus in these systems. The research site was a 14 year-old study at Glenlea, Manitoba, having 3 different 4-year rotations under organic and conventional management: forage-grain ± manure-compost, grain-only, and a restored tall grass prairie. The modified Hedley procedure revealed organic systems to have lower concentrations of labile phosphorus than conventional but recalcitrant fractions did not differ (P < 0.05). Nitrogen was limiting in the organic grain-only rotation; phosphorus in the organic forage-grain. Mycorrhizal colonization as arbuscules was higher in organic than conventional systems (P < 0.05). To prevent phosphorus limitation, we suggest high-export organic rotations be balanced with sufficient rates of manure-compost and AMF maintained to help with phosphorus absorption.

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. / In this study, we isolated and cultivated bacterial cells intimately associated with Glomus irregulare spores in a natural soil Agrostis stolonifera rhizosphere. Sequencing of the 29 morphotypes isolated revealed the presence of only seven bacterial taxa (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus and Kocuria rhizophila). These seven isolates were cultivated in vitro on the mycelium of G. irregulare to allow microscopic observation of growth and attachment to the mycelium in absence of nutritive sources other than those derived from the fungal mycelium. All isolates but B. cereus were able to grow on the experimental system and to attach to the mycelium to form biofilm-like structures on their surface. However, B. simplex formed these structures more quickly, in 15 days, than the remaining isolates that have formed them only after 30 days (K. rhizophila and B. megaterium) or 45 days (V. paradoxus, M. ginsengiosoli and Sphingomonas sp.). In addition, PCR-DGGE was used to compare bacterial diversity. The bacterial biodiversity associated with spores of G. irregulare that were isolated and cultured in vitro was significantly lower than that present on the spore surface, while total soil bacterial diversity was much higher. The bacteria associated with mycorrhizal fungi probably have an important role in the ability of plants to withstand biotic and abiotic stresses to which they are submitted.

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. / In this study, we isolated and cultivated bacterial cells intimately associated with Glomus irregulare spores in a natural soil Agrostis stolonifera rhizosphere. Sequencing of the 29 morphotypes isolated revealed the presence of only seven bacterial taxa (Variovorax paradoxus, Microbacterium ginsengiosoli, Sphingomonas sp., Bacillus megaterium, B. simplex, B. cereus and Kocuria rhizophila). These seven isolates were cultivated in vitro on the mycelium of G. irregulare to allow microscopic observation of growth and attachment to the mycelium in absence of nutritive sources other than those derived from the fungal mycelium. All isolates but B. cereus were able to grow on the experimental system and to attach to the mycelium to form biofilm-like structures on their surface. However, B. simplex formed these structures more quickly, in 15 days, than the remaining isolates that have formed them only after 30 days (K. rhizophila and B. megaterium) or 45 days (V. paradoxus, M. ginsengiosoli and Sphingomonas sp.). In addition, PCR-DGGE was used to compare bacterial diversity. The bacterial biodiversity associated with spores of G. irregulare that were isolated and cultured in vitro was significantly lower than that present on the spore surface, while total soil bacterial diversity was much higher. The bacteria associated with mycorrhizal fungi probably have an important role in the ability of plants to withstand biotic and abiotic stresses to which they are submitted.

Les prairies indigènes présentent une source importante d'alimentation pour le pâturage du bétail dans les prairies Canadiennes semi-arides. L'addition de légumineuses fixatrices d'azote et de phosphore dans les prairies indigènes peut améliorer la productivité et la valeur nutritive de fourrage. Ces pratiques peuvent induire des modifications de la structure et de la diversité des communautés fongiques du sol, ce qui peut en retour avoir un impact sur la production et le contenu nutritionnel du fourrage. L’objectif de cette étude était de développer un système de pâturage à bas niveau d’intrants, productif, autonome et durable. À court terme, nous voulions 1) déterminer l'effet des légumineuses (Medicago sativa, une légumineuse cultivée ou Dalea purpurea, une légumineuse indigène) et la fertilité en phosphore du sol sur la productivité et la valeur nutritive des graminées indigènes, comparées avec celles de la graminée introduite Bromus biebersteinii en mélange avec le M. sativa, 2) identifier l'effet de ces pratiques sur la diversité et la structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et des champignons totaux, 3) identifier l'effet des légumineuses et des CMA sur les interactions compétitives entre les graminées de saison fraîche et les graminées de saison chaude. Les expériences menées au champ ont montré que M. sativa améliorait les teneurs en azote et en phosphore des graminées indigènes au début de l'été, ainsi que la teneur en azote de la graminée de saison chaude Bouteloua gracilis à la fin de l'été de l'année sèche 2009. Par contre, la fertilité en phosphore du sol n'ait pas affecté la productivité des plantes. D'autre part, l'inclusion des légumineuses augmentait la diversité des CMA dans le mélange de graminées indigènes. Cette modification présentait des corrélations positives avec la productivité et la quantité totale d'azote chez le M. sativa et avec la teneur en phosphore des graminées indigènes, au début de l'été. La structure des communautés de champignons totaux était influencée par l'interaction entre le mélange des espèces et la fertilité en phosphore du sol seulement en 2008 (année humide). Cet effet pourrait être lié en partie avec la productivité des plantes et l'humidité du sol. Les expériences menées en chambre de culture ont montré que les CMA peuvent favoriser la productivité des graminées de saison chaude au détriment des graminées de saison fraîche. En effet, Glomus cubense augmentait la productivité de la graminée de saison chaude B. gracilis, en présence de M. sativa. Cet effet pourrait être associé à l’effet négatif du G. cubense sur la fixation de l’azote par le M. sativa et à la diminution de l’efficacité d’utilisation de l'azote de certaines graminées de saison fraîche résultant en une augmentation de la disponibilité de l'azote pour B. gracilis. Par contre, le Glomus sp. augmentait la biomasse de Schizachyrium scoparium, autre graminée de saison chaude, en absence de légumineuse. Ce phénomène pourrait être attribuable à une amélioration de l’efficacité d’utilisation du P de cette graminée. En conclusion, mes travaux de recherche ont montré que la légumineuse cultivée M. sativa peut améliorer la valeur nutritive des graminées indigènes au début de l'été ainsi que celle de la graminée de saison chaude B. gracilis, dans des conditions de sécheresse sévère de la fin de l'été. De plus, l'addition de M. sativa dans le mélange de graminées indigènes peut contribuer à augmenter le nombre des espèces bénéfiques des CMA pour la production et la nutrition du fourrage au début de l'été. / The native grasslands are considered as the main feed source for livestock grazing, in semi-arid regions of the Canadian prairies. The addition of N fixing legumes and phosphorus to semi-arid native grasslands may increase the productivity and nutritive value of forage. However, these practices may also shape the structure and diversity of soil fungal communities which in turn may impact forage production and nutritive value. The global objective of this research was to design productive, self-sustaining, permanent and with low inputs pastures. The specific objectives were 1) to demonstrate the effect of N-fixing legumes (the cultivated legume Medicago sativa or the native legume Dalea purpurea) and soil P fertility on the productivity and nutritive value of native grasses mixes in comparison to the mixture of the introduced grass Bromus biebersteinii and M. sativa, 2) identify the effect of these practices on the diversity and community structure of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi and total fungi, and 3) identify the effect of legumes and AM fungi on competitive interactions between native cool-season grasses and native warm-season grasses. The field experiment showed that M. sativa improved the nitrogen and phosphorus concentrations of native grasses mixes early in the summer, as well as the N concentration of the warm-season grass B. gracilis, in late summer of the driest year 2009. In contrast, the soil phosphorus fertility had no effect on plant productivity. On the other hand, the inclusion of legumes to the mix of native grasses generally increased AM fungal diversity. This shift was positively correlated with the productivity and nitrogen uptake by M. sativa and with the phosphorus concentration of native grasses mixes in early summer. The structure of the total fungal community was affected by the interaction between species mixtures and soil P fertility only in the wet year (2008), suggesting that this effect was likely driven in part by plant productivity and soil moisture. The growth chamber experiment showed that the AM fungi may favoured the growth of warm-season grasses under competition with cool-season grasses. However, Glomus cubense increased the productivity of warm-season grass B. gracilis when growing with M. sativa. This effect might be related to a negative impact of G. cubense on the nitrogen-fixing activity of M. sativa and to a lower N-use efficiency of certain cool-season grasses, which resulted in increased soil N availability for B. gracilis. In contrast, Glomus sp. enhanced the growth of S. scoparium, another warm-season grass in the absence of legumes, and this may be related to improved P-use efficiency in this grass. We concluded that the cultivated legume M. sativa can improve the nutritive value of native grasses mixes early in the summer and also of warm season grass under severe drought conditions in late summer. In addition, the inclusion of M. sativa within native grass mixes may contribute to promote beneficial AM fungi taxa that were involved in forage production and nutrition early in the summer.

La symbiose mycorhizienne à arbuscule est une interaction bénéfique entre les champignons du phylum Glomeromycota et près de 80% des espèces de plantes terrestres. Elle est caractérisée par un échange réciproque de nutriments dans lequel le champignon fournit des sels minéraux à la plante en échange de sucres issus de la photosynthèse. Cependant, cette "alimentation" du champignon au cours de la symbiose représente un coût carbone important pour la plante. Ainsi, les plantes doivent strictement maitriser le développement des champignons symbiotiques dans les racines. Ce contrôle est appelé autorégulation. Plusieurs protéines ont été démontrées comme étant importantes pour la régulation des différentes étapes de la colonisation : la stimulation de la croissance fongique dans la rhizosphère par les strigolactones, l'entrée dans les racines, la prolifération des hyphes au sein des racines et la formation des arbuscules. Dans ce travail, nous avons examiné plus en détail le rôle de deux de ces protéines connues pour être impliquées dans le processus de mycorhization, les facteurs de transcription NSP1 et NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). Nous avons d'abord pu confirmer dans les racines de M. truncatula en conditions non-symbiotiques, l'implication directe de NSP1 dans la régulation de deux gènes de biosynthèse des strigolactones, DWARF27 (D27) et MORE AXILLARY GROWTH (MAX1). Ensuite, nous avons montré que NSP1, contrairement à NSP2, favorise l'entrée du champignon dans la racine, sans doute due à l'induction de la synthèse des strigolactones stimulant le champignon, via l'activation de D27 et de MAX1. Ensuite, au cours des étapes ultérieures de la mycorhization, nous avons montré que dans les tissus colonisés, NSP1 est absent et que l'induction de D27 et de MAX1 n'était plus NSP1 dépendante. À cette étape, l'expression de la protéine NSP1 est localisée dans les cellules justes en amont du front de colonisation fongique. Là, elle contrôle négativement la propagation des hyphes dans la racine et positivement la formation des arbuscules. En revanche, NSP2 est présente dans le tissu colonisé où elle favorise la propagation des hyphes et le développement des arbuscules, peut-être en interaction avec d'autres facteurs. Nous avons également montré chez M. truncatula que si les protéines NSP1 sont absentes des tissus colonisés, les transcrits de NSP1 sont présents. De façon inattendue, nous avons mis en évidence que l'ARN messager de NSP1 avait la capacité de protéger l'ARN messager de NSP2 contre sa dégradation par le microARN (miR171h), par une action de piégeage du miR171h, appelé effet mimicry. Ceci est la première démonstration qu'une molécule d'ARN codante peut être la cible mimétique d'un microARN. Dans notre contexte d'étude cette constatation révèle que les transcrits de NSP1 permettent une régulation positive de l'expression de NSP2, et met en lumière un niveau de complexité supplémentaire dans le rôle de ces deux facteurs de transcription dans la symbiose mycorhizienne. Enfin, dans la tomate, nous avons montré que Sl-NSP1 pourrait être directement ou indirectement régulée par une protéine AUX / IAA impliquée dans la réponse précoce à l'auxine, Sl-IAA27. Ce lien avec l'auxine nous fait présumer que cette AUX/AAI est un nouveau composant de la voie de signalisation du contrôle de la colonisation fongique dans la tomate, et nous proposons qu'il puisse avoir un rôle dans le contrôle de la biosynthèse des strigolactones via la régulation de Sl-NSP1. L'ensemble de ce travail fournit de nouvelles pièces du puzzle constituant la symbiose mycorhizienne et montre l'importance de l'analyse des régulations spatiotemporelles pour une meilleure compréhension de ces processus biologiques extrêmement complexes. / The arbuscular mycorrhiza (AM), a symbiosis between fungi from the phylum Glomeromycota and nearly 80% of terrestrial plant species. It is characterized by a two-way exchange in which the fungus provides mineral nutrients to the plant in exchange for carbohydrates. However this "feeding" of the fungus during the symbiotic process represents a significant carbon cost for the plant. To maintain a mutualistic interaction the two symbiotic partners have to strictly control the extent of fungal development in the roots. This control is called autoregulation. Several proteins have been found to be important for the regulation of the different mycorrhizal steps: the stimulation of fungal growth in the rhizosphere by the strigolactones, the fungal entrance in the roots, the hyphal proliferation in the roots and the arbuscule formation. In this work we examine in more detail the role of two of these proteins known to be involved in the mycorrhization process, the transcriptional factors NSP1 and NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). We first confirm in M. truncatula roots the direct implication of NSP1 in the regulation of two strigolactone biosynthesis genes, DWARF27 (D27) and MAX1, during the asymbiotic conditions. Then, we show that NSP1, unlike NSP2, is a factor that promotes the fungal entries in the root, presumably due to its activation of D27 and MAX1 resulting in a stimulation of strigolactone synthesis and presymbiotic fungal growth. Next, during the later stages of mycorrhization, we highlight that in the colonized tissues NSP1 is absent and the induction of both D27 and MAX1 is not anymore NSP1 dependent. NSP1 protein is then localized in cells which are not yet colonized but are close to a colonization zone. There, it controls negatively the hyphal propagation in the root and positively the formation of arbuscules. In contrast, NSP2 is present in the colonized tissue where it promotes hyphal propagation and arbuscule development, perhaps by interacting with other proteins. We also show that if NSP1 proteins are absent of the colonized tissues, NSP1 transcripts are present. Unexpectedly, we unveil that in those colonized cells, NSP1 mRNA can protect, by a micro RNA (miR171h) decoy action called target mimicry, NSP2 mRNA against miR171h-mediated degradation. This is the first demonstration that a coding RNA molecule can be a target mimic for a microRNA. In our context this finding reveals a positive regulation of NSP2 expression by NSP1 transcripts and brings to light an additional layer of complexity in the mycorrhizal dual role of these two transcription factors. Finally, in tomato, we highlight that SlNSP1 could be directly or indirectly regulated by the AUX/IAA protein, SlIAA27. As a link with auxin we presume that this AUX/IAA protein is a new component of the signaling pathway controlling AM fungal colonization in tomato, and we propose that it controls strigolactone biosynthesis via the regulation of SlNSP1. Overall our work provides new pieces of the mycorrhizal puzzle and shows how important it is to perform spatiotemporal investigations for a better understanding of highly integrated and complex biological processes.