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. / Fusarium trichothecenes are a large group of sesquiterpenes that are inhibitors of eukaryotic protein synthesis. They cause health problems for humans and animals that consume fungus-infected agricultural products. In addition some of Fusarium trichothecenes are virulence factors of plant pathogenesis. In this study, sixteen Fusarium strains were isolated and characterized from naturally infected potato plants. Pathogenicity tests were carried out to evaluate the virulence of these isolates on potato plants and their trichothecene production capacity. We chose F. sambucinum strain T5 as a model for this study because it was the most aggressive strain when tested on potato plants. It induces a rapid wilting and yellowing resulting in plant death. This strain produced 4,15-diacetoxyscirpenol (4,15-DAS) when grown in liquid culture. We amplified and characterized five trichothecene genes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, and TRI101) involved in the production of 4,15-DAS. Nucleotide BLAST search showed 98% and 97% sequence identity with trichothecene biosynthetic genes of F. sporotrichioides and Gibberella zeae, respectively. We used F. sambucinum to determine if trichothecene gene expression was affected by the symbiotic arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) Glomus irregulare. We found that the growth of F. sambucinum was significantly reduced in the presence of G. irregulare isolate DAOM-197198 compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Furthermore, inhibition of the growth F. sambucinum was associated with morphological changes, which were observed when G. irregulare hyphae reached F. sambucinum mycelium, suggesting that G. irregulare may produce compounds that interfere with the growth of F. sambucinum. Using real-time qRT-PCR assays, we assessed the relative expression of trichothecene genes of F. sambucinum confronted or not with G. irregulare. When G. irregulare was confronted with F. sambucinum, TRI5 and TRI6 genes were up-regulated, while TRI4, TRI13 and TRI101 were down-regulated. We therefore used GC-MS analysis to determine whether G. irregulare affects trichothecene production by F. sambucinum. We found that the production of 4,15-DAS trichothecene was significantly reduced in the presence of G. irregulare compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Interestingly, 4,15-DAS pattern was reduced to 39 μg/ml GYEP medium by G. irregulare compared to 144 μg/ml GYEP with F. sambucinum grown with carrot roots or F. sambucinum alone respectively. We tested the AMF capacity to induce defense responses of potato plants following infection with F. sambucinum. The response of AMF-colonized potatoes to F. sambucinum was investigated by tracking the expression of genes homologous with pathogenesis-related proteins chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (gluB), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protein (OSM-8e) and pathogenesis-related protein (PR-1). We found that the AMF treatment up-regulated the expression of all defense genes in roots at 72 hours post-infection (hpi) with F. sambucinum. We also found that a decrease provoked by F. sambucinum in gluB and CEVI16 expression in shoots could be blocked by AMF treatment. Overall, a differential regulation of PR homologues genes in shoots indicates that AMF are a systemic bio-inducer and their effects could extend into non-infected parts. In conclusion, this study provides new insight into on the interactions between plants and microbes, in particular the effects of AMF on the growth and the reduction of mycotoxins in Fusarium. It also shows that AMF are able to reduce the disease severity in plants by stimulating their defense. The data presented provide new opportunities for bio-control against mycotoxin-producing pathogens in plants.

Les couvertures végétales herbacées peuvent être utilisées non seulement pour revégétaliser les sols mis à nu, mais aussi pour contrer l’établissement d’arbres dans des écosystèmes naturels et semi-naturels. Cependant, la sélection des espèces permettant de composer des mélanges efficaces soulève des difficultés importantes encore aujourd’hui. De plus, garantir que les mélanges herbacés les plus efficaces dans une expérience de diversité peuvent être transposés dans des conditions réelles est un autre défi soulevant de l’incertitude lors de la mise en œuvre d’un plan de revégétalisation. La prise en compte des mécanismes spatiaux, abiotiques et biotiques est également cruciale pour comprendre comment les couvertures herbacées et les espèces ligneuses interagissent. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse fut d'améliorer le choix des espèces herbacées et d'approfondir notre compréhension des mécanismes biotiques, abiotiques et spatiaux impliqués dans l'inhibition des espèces ligneuses. Le premier objectif de cette thèse fut d'examiner la contribution de la composition et de la diversité (taxonomique et fonctionnelle) des espèces herbacées à l'établissement de deux espèces ligneuses indigènes, Acer rubrum et Betula populifolia, sur une période de trois ans. Le deuxième objectif fut d'évaluer l'efficacité de mélanges herbacés contenant Achillea millefolium et Solidago canadensis dans des conditions réelles de terrain pour contrer l'établissement d'espèces ligneuses (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), tout en tenant compte de facteurs locaux tels que les propriétés du sol, l'espace et la diversité alpha (taxonomique, fonctionnelle et phylogénétique) de la communauté herbacée résidente. Le troisième objectif fut d'élucider la relation entre les mycorhizes à arbuscules (MA) et le fitness des semis d'Acer rubrum. Ce dernier objectif comprenait également l'évaluation de l'influence sur le fitness des semis d'Acer rubrum de plusieurs facteurs, tels que les mélanges d’herbacées initiaux, l'abondance de la couverture, les propriétés du sol, ainsi que la densité et la richesse des couvertures végétales au sol et en surface. Pour atteindre ces objectifs, nous avons réalisé trois expériences : une expérience de diversité en conditions contrôlées dans une friche régulièrement fauché, une expérience de diversité en conditions de terrain et une expérience de rétroaction plante-sol en serre. Nos résultats ont mis en évidence que, dans des conditions contrôlées, les mélanges diversifiés et certaines espèces telles que Achillea millefolium et Solidago canadensis sont les moteurs d'une plus grande efficacité dans la prévention de l'établissement des arbres (c'est-à-dire Acer rubrum et Betula populifolia). Cependant, dans des conditions réelles de terrain et sur différentes espèces ligneuses colonisatrices (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), une revégétalisation réussie nécessite de prendre en compte à la fois l'efficacité des mélanges dans des conditions idéales et leur polyvalence écologique. Nos principales conclusions ont également mis en évidence que l'abondance relative des champignons mycorhiziens influençant la performance des semis d’Acer ne peut pas être prédite ni par les propriétés du sol ni par la structure de la communauté herbacée sur le terrain. En plus, certains mycorhizes à arbuscules (Dominikia sp. et Ambispora sp.) peuvent être liées à des effets négatifs sur les espèces ligneuses (Acer rubrum). En résumé, les trois projets de recherche présentés dans cette thèse ont permis d'identifier des mécanismes écologiques pertinents affectant les espèces ligneuses tels que l'identité des espèces herbacées considérées dans les mélanges, le rôle de la versatilité écologique des espèces herbacées, l'influence de mécanismes multiples, ainsi que le rôle des champignons mycorhiziens. Les résultats de cette thèse sont sujet, évidemment, à certaines limitations expérimentales et méthodologiques à prendre en compte dans l’éventualité d’une utilisation en conditions réelles ou lors de travaux de recherche futures. Les recherches futures pourraient par exemple explorer ces limites et identifier des mécanismes supplémentaires pour améliorer l'efficacité des efforts de revégétalisation dans des contextes de revégétalisation écologique. / Herbaceous plant covers can be used not only to revegetate bare soil but also to inhibit tree encroachment in many managed and semi-natural grasslands. However, selecting the right species to build effective mixtures has posed challenges until now. Defining if the most effective herbaceous mixtures in diversity experiments can be applied in real field conditions and over different woody species is even another challenge posing incertitude in a revegetation plan. Addressing spatial, abiotic, and biotic mechanisms is also crucial to understanding how herbaceous covers and woody species interact. Taking this into account, the main objective of this thesis was to improve the choice of herbaceous species and to deepen our understanding of the biotic, abiotic and spatial mechanisms involved in the inhibition of woody species. The first objective of this thesis was to examine the contribution of herbaceous species composition and diversity (taxonomic and functional) against the establishment of two native woody species, Acer rubrum and Betula populifolia, over 3 years. The second objective was to evaluate the efficacy of herbaceous mixtures containing Achillea millefolium and Solidago canadensis under real field conditions to suppress woody establishment (Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), while considering local factors such as soil properties, space and alpha diversity (taxonomic, functional and phylogenetic) of the resident herbaceous community. The third objective was to unravel the relationship between arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) and Acer rubrum seedling fitness. This objective also included the evaluation of the influence of several factors on Acer rubrum seedling fitness, such as initial treatments, cover abundances, soil properties, as well as the density and richness of ground and surface vegetation covers. To tackle these objectives, we carried out three experiments: a diversity experiment under controlled conditions in a regularly mown old field, a diversity experiment under field conditions, and a greenhouse plant-soil feedback experiment. Our results highlighted that, in controlled conditions, diversified mixtures and certain species such as Achillea millefolium and Solidago canadensis as drivers of higher efficiency in preventing tree establishment (i.e. Acer rubrum and Betula populifolia). Yet, in real field conditions and over different woody species colonizers (i.e., Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), successful revegetation requires considering both mixture effectiveness in ideal conditions and their ecological versatility. Our key findings also highlighted that the relative abundance of mycorrhizal fungi influencing the performance of Acer seedlings cannot be predicted by either soil properties or the structure of the herbaceous community in the field. Additionally, certain arbuscular mycorrhiza (i.e., Dominikia sp. and Ambispora sp.) can be linked to negative effects on woody species (i.e., Acer rubrum). In summary, the three research projects presented in this thesis allowed the identification of relevant ecological mechanisms affecting woody species such as the identity of the herbaceous species considered in the mixtures, the role of the ecological versatility of herbaceous species, the influence of multiple mechanisms, as well as the role of mycorrhizal fungi. The results of this thesis have experimental and methodological limitations that must be considered when used in real-life conditions or future research. Further research could explore these limitations and identify additional mechanisms to improve the effectiveness of revegetation efforts in ecological contexts.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts. / The association between arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant roots is one of the most widespread symbioses involving plants, and thus has an important role in terrestrial ecosystems. In exchange for carbohydrates, AMF improve plant fitness by enhancing mineral nutrient uptake, especially in particular phosphate and nitrate. Although this symbiosisDespite the fact that these symbioses contribute provides to important services toin ecosystems, the species richness, community structure and functional diversity of AMF is not well understood due to a lack of reliable molecular tools. The intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA observed in AMF, combined with a lack of genomic data in a broad range of phylogenetic groups, has made it difficult to develop molecular markers and to determine evolutionary relatedness at high levels of resolution (i.e. between genetically-similar species and/or isolates). For these reasons, it seems a good alternative to use a different genetic system by targeting the mitochondrial genome, which have been shown to be homogeneous within AMF isolates. However, given the peculiar lifestyle of these organisms, a better understanding of the mitochondrial evolutionary processes and dynamics were is necessary in order to validate the usefulness of such markers in diversity and population genetics studies. In that regard, the objectives of my PhD project were to investigate: i) the divergence between closely related species and isolates, ii) mitochondrial genomes plasticity, iii) mitochondrial heritability and potential segregation mechanisms and iv) in situ mitochondrial intra-isolate allelic diversity. With Using comparative mitochondrial genomics using and next generation sequencing (NGS) sequencing, we found substantial sequence variation in intergenic regions caused by the invasion of mobile genetic elements. This variation gives risecontributes to rapid mitochondrial genome evolution among closely related isolates and species, which makes it possible to design reliable intra- and inter-specific markers. Also, an extensive gene similarity network-based approach allowed us to provide strong evidence of inter-haplotype recombination in AMF, leading to a reshuffled mitochondrial genome. These findings suggest the coexistence of distinct mtDNA haplotypes in natural populations and raise questions as to whether AMF single spore cultivations artificially underestimates mitochondrial genetic diversity in natural population.. This apparent contradiction with the intra-isolate mtDNA homogeneity usually observed in these fungi, led to the investigation of mitochondrial heritability in the spore progeny resulting from crossed-cultures. Although an heteroplasmic state was observed in some daughter spores, we found that homoplasmy was the dominant state in all monosporal cultures, with an apparent bias towards one of the parental haplotypes. These results strongly support the presence of a putative mitochondrial segregation proteic machinery in AMF, whose complete set of genes were orthologous with those found in other fungi. Our findings suggest that segregation takes place either during spore formation or colony mycelium development. Finally, we performed a conventional PCR based approach with a high fidelity Taq polymerase, followed by downstream cloning and Sanger sequencing using the model organism Rhizophagus irregularis. We found in situ heteroplasmy along with substantial intra-isolate allelic variation within the mtDNA that persists in the transcriptome. Our study also suggest that genetic variation in Glomeromycota is higher than meets the eye and might be critically underestimated in most NGS based-AMF studies both in nuclei and mitochondria.