La symbiose ectomycorhizienne a un effet bénéfique sur la nutrition et le développement des arbres. Dans les sols, les champignons ectomycorhiziens interagissent continuellement avec des communautés bactériennes qui peuvent avoir une action bénéfique, neutre ou antagoniste vis-à-vis du champignon. Parmi ces bactéries, une attention particulière a été portée au cours de ces dernières années sur les bactéries auxiliaires de la mycorhization qui favorisent la symbiose ectomycorhizienne. La souche auxiliaire Pseudomonas fluorescens BBc6R8 améliore la survie pré-symbiotique et la croissance du champignon ectomycorhizien Laccaria bicolor S238N, et favorise son établissement en symbiose avec le Douglas. Mais les mécanismes moléculaires sous-jacents sont inconnus. A l’aide d’un dispositif de confrontation bactérie-champignon in vitro et d’outils transcriptomiques, nous avons analysé les réseaux de gènes fongiques impliqués dans l’interaction entre P. fluorescens BBc6R8 et L. bicolor S238N ainsi que le degré de spécificité de la réponse du champignon. De plus, nous avons examiné le rôle joué par certains métabolites fongiques et bactériens dans l’interaction : thiamine, tréhalose, système de sécrétion de type III. Nos résultats suggèrent que l’effet auxiliaire de la souche BBc6R8 soit dû à une combinaison de mécanismes : d’une part une amélioration du statut nutritionnel du mycélium, d’autre part une préparation des racines et des hyphes à l’infection mycorhienne. / Ectomycorrhizal fungi have a beneficial impact on tree nutrition and growth by forming symbiotic associations with roots. In their natural environment, they interact physically and metabolically with soil bacterial communities that are beneficial, neutral or antagonistic to the fungus. Since the 80ies, a specific interest has been given to bacterial strains that improve the formation of ectomycorrhizal symbiosis, so-called mycorrhiza helper bacteria. The strain Pseudomonas fluorescens BBc6R8 is particularly efficient to enhance the establishment of Douglas fir - Laccaria bicolor S238N mycorrhizal symbiosis, by improving the survival and the growth of the pre-symbiotic mycelium in soil. We have used both a global and a targeted approach to investigate the molecular mechanisms of this helper effect. In a first step, we have analysed, using an in vitro assay, the morphological and the transcriptomic responses of the ectomycorrhizal fungus to the presence of the helper bacteria at different time of the interaction. Then we have assessed the question of the specificity of the fungal response by studying the effect of non-helper bacterial strains on the fungal behaviour. Finally, we have focused on the role played by several key molecules in the interaction: thiamine, trehalose and the type III secretion system. We suggest that the bacterial strain would exert its helper effect through a combination of mechanisms: an improvement of the nutritional status of the fungus and a preparation of both the plant and the ectomycorrhizal fungus to the root infection.

En raison des activités anthropiques croissantes, de larges sites sont contaminés par les métaux lourds qui affectent les systèmes biologiques. La souche Oidiodendron maius Zn pourrait être un organisme intéressant dans un programme de bioremédiation étant à la fois un champignon mycorhizien éricoïde et une souche tolérante aux métaux lourds. Pour comprendre les mécanismes de la tolérance de cette souche, trois approches différentes ont été menées.La première approche a abouti à la génération de mutants du gène superoxyde dismutase 1 (OmSOD1). Il s'agit de la première délétion d'un gène par recombinaison homologue chez un champignon mycorhizien. Nous démontrons que l'absence d'OmSOD1 cause un déséquilibre dans l'homéostasie rédox et un changement dans le dialogue entre le champignon et sa plante hôte.La deuxième approche a été basée sur la complémentation fonctionnelle d'un mutant de levure en utilisant une banque d'ADNc d'O. maius. Nous décrivons les premiers transporteurs d'un champignon mycorhizien éricoïde capables de conférer la tolérance au Zn dans des levures. Deux gènes ont été isolés et nommés OmCDF et OmFET. L'expression hétérologue de ces deux gènes dans différents mutants de levure a permis de conférer la tolérance au Zn. De plus, OmCDF a également permis de conférer la tolérance au Co. Nos données suggérent que OmCDF est un transporteur de Zn responsable du transfert du Zn cytoplasmique vers le réticulum endoplasmique, tandis que l'expression d'OmFET pourrait neutraliser la toxicité engendrée par le Zn en augmentant le contenu du Fe dans la cellule. La troisième approche a concerné le criblage d'une collection de mutants aléatoires d'O. maius sur Zn, Cd et ménadione. Nous décrivons la caractérisation d'un mutant dans le gène nmr. Dans ce mutant, une diminution de la teneur en glutamine et asparagine, ainsi qu'une réduction de l'activité de la glutamine synthétase ont été enregistrées. Les liens possibles entre la tolérance au stress oxydatif et le métabolisme azoté sont discutés. / Due to increasing anthropogenic activities, large areas are highly contaminated by heavy metals which are affecting biological systems. Oidiodendron maius strain Zn could be an interesting organism in a bioremediation program being both an ericoid mycorrhizal fungus and a heavy metal-tolerant strain. To understand the mechanisms underlying the oxidative stress tolerance of this strain, three different approaches were used. The first approach allowed us to obtain superoxide dismutase 1 (SOD1) null mutants. The most important technical advance in this work was the first successful disruption of a gene by homologous recombination in a mycorrhizal fungus. We demonstrate that the lack of OmSOD may cause an imbalance in the redox homeostasis and an alteration in the delicate dialogue between the fungus and its host plant. The second approach was based on a yeast functional complementation screening using an O. maius cDNA library. In this work we report the first transporters of an ericoid mycorrhizal fungus capable of conferring Zn tolerance to yeast transformants. Two full-length cDNAs were isolated and named OmCDF and OmFET. The heterologous expression of these two genes in various yeast mutants conferred resistance to zinc. Additionally, OmCDF expression also conferred Co tolerance. We provide evidence that OmCDF functions as a Zn transporter responsible for relocating cytoplasmic Zn into the endoplasmic reticulum, whereas expression of OmFET could counteract Zn toxicity by increasing Fe content of cells. The third approach consisted in the screening of a collection of O. maius random-mutants on Zn, Cd and menadione. We report the characterization of an O. maius-mutant that carries a mutation in the nmr gene. In this mutant, a decrease of glutamine and asparagine pools, and a reduction of the activity of glutamine synthase were recorded. Possible links between the oxidative stress tolerance and the nitrogen metabolism are discussed.

La phytoremédiaton assistée par les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) compte parmi les méthodes émergentes de remédiation des sols pollués en raison de son adéquation avec le développement durable. Cette phytotechnologie présente un intêret à la fois dans la protection des plantes contre la phytotoxicité des polluants organiques tels que les hydrocarbures et dans leur dissipation. Cependant, son efficacité reste à prouver dans les sols historiquement multi-pollués. De plus, les mécanismes de dégradation et de tolérance mis en oeuvre par la symbiose mycorhizienne sont peu connus. Ainsi, ce travail de thèse avait pour premier objectif d'étudier chez les partenaires symbiotiques Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivés in vitro, l'expression de gènes potentiellement impliqués dans la tolérance au benzo[a]pyrène (B[a]P), un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) de haut poids moléculaire fréquemment détecté dans les sols pollués. Pour cela, les expressions de gènes codant pour des enzymes antioxydantes, de détoxification des polluants et de réparation de l'ADN ont été mesurées par PCR quantitative en temps réel. Nos résultats ont montré une corrélation positive entre l'induction des systèmes antioxydants au niveau génique et enzymatique et la production d' H₂O₂ induite par l'accumulation de B[a]P dans les racines non mycorhizées et le CMA. En revanche, lorsque les racines sont colonisés par le CMA, celui-ci agirait comme une barrière physique en limitant l'accumulation de B[a]P et la production d'H₂O₂ dans les racines, et provoquerait la répression des systèmes antioxydants racinaires. Le second objectifs de cette thèse a consisté à évaluer l'apport d'un amendement mycorhizien dans la dégradation de deux types d'hydrocarbures : les HAP et les alcanes, présent dans un sol historiquement multi-pollué (site de l'Union). L'étude a été conduite en microcosmes en présence de blé (Triticul aestivum) inoculé ou non par R. irregularis. Une contribution positive de cette inoculation dans la biodégradation des hydrocarbures après 16 semaines de culture a été démontrée. Cette meilleure dégradation serait liée notamment à la stimulation de la microflore bactérienne du sol mais également aux capacités métaboliques de la plante. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-assisted phytoremediation is one of innovative method for the remediation of polluted soils due to its relevance to sustainable development. This phytotechnology presents benefits both in the protection of plants against the phytotoxicity of organic pollutants such as hydrocarbons and in their dissipation. However, its efficiency remains to be proved in the aged multi-polluted soils and the mechanisms of degradation and tolerance implemented by the mycorrhizal symbiosis are poorly known. Thus, the thesis aims firstly to study in the symbiotic partners Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivated in vitro, the expression of genes potentially involved in the tolerance to benzo[a]pyrene (B[a]P), a high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) frequently detected in polluted soils. Expressions of genes encoding for antioxidant, pollutant, detoxification and DNA repairing enzymes were measured by real time PCR. Our results showed a positive correlation between the induction of antioxidant systems (genes and enzymes) and the production of H₂O₂ induced by the accumulation of B[a]P in non-mycorrhizal root and the AMF. In contrast, when the roots are colonized by the AMF, this one would act as a physical barrier limiting the accumulation of B[a]P and H₂O₂ production of in the roots and would cause the repression of root antioxidant systems. The second objective of the thesis consisted of evaluating the contribution of the arbuscular mycorrhizal amendment in the degradation of two types of hydrocarbons : the PAH and the alkanes, present in an aged multi-polluted soils (site of Union). The study was carried out in microcosms in the presence of non-inoculated or inoculated wheat (Triticul aestivum) by R. irregularis. A positive contribution of the mycorrhizal inoculation in the hydrocarbon biodegradation after 16 weeks of culture was demonstrated. This better degradation is related especially to the simulation of the bacterial microflora but also to the plant metabolic abilities.

L’utilisation d’inoculants de champignon mycorhizien arbusculaire (CMA) et de bactéries promotrices de la croissance de la plante (PGPR) comme biofertilisants pour améliorer la croissance de la plante et augmenter les rendements des cultures connait de plus en plus un intérêt remarquable. Ces inoculants peuvent influencer les relations trophiques à travers les changements induits au niveau de la plante. Cependant, en contexte agroécologique, il est difficile de prédire les effets de leur application sur les niveaux trophiques supérieurs, notamment sur les insectes phytophages et leurs ennemis naturels. Ainsi, l’objectif de ce projet de thèse était d’évaluer les effets des inoculants de champignon mycorhizien et bactériens sur les insectes du soja. Spécifiquement il est question : 1) d’évaluer l’influence sur le puceron du soja Aphis glycines (2e niveau trophique), de la symbiose tripartite entre un CMA Rhizophagus irregularis, une bactérie rhizobium Bradyrhizobium japonicum et le soja Glycine max ; 2) de déterminer l’impact des inoculants de R. irregularis et de B. japonicum associés au soja sur les ennemis naturels du puceron de soja, la coccinelle Coleomegilla maculata et le parasitoïde Aphelinus certus (3e niveau trophique) ; 3) d’évaluer les effets de la co-inoculation des inoculants de R. irregularis, B. japonicum et de Bacillus pumilus sur les insectes phytophages et leurs ennemis naturels associés au soja au champ. Les expériences en chambre de croissance (objectifs 1 et 2) ont montré une altération des traits de performance des plantes en présence des inoculants comparées aux plantes témoins. Les différences de colonisation mycorhizienne et de nodulation, observées entre les traitements sont une preuve du fonctionnement de l’inoculation. Avec le double inoculant, j’ai observé une augmentation de la biomasse de la plante, des concentrations en azote et carbone, et une diminution de la concentration en phosphore. Avec le rhizobium seul, j’ai obtenu les mêmes effets, sauf pour la biomasse racinaire qui n’a pas été affectée. Avec le CMA seul, une augmentation de la concentration en phosphore a été observée, mais aucun des autres paramètres de la plante n'a été affecté. Au deuxième niveau trophique sur le puceron du soja, le soja inoculé avec le double inoculant CMA+rhizobium, suivi du rhizobium seul, ont augmenté significativement la densité de la population de pucerons, alors qu’aucun des inoculants n’a eu un effet sur le fitness du puceron. En revanche, aucun des traits de performance du puceron (fécondité et taille des individus) n’a été affecté par la présence de l’inoculant CMA seul. D’autre part, j’ai noté une corrélation positive entre la concentration en azote et le taux de reproduction des pucerons, alors qu’avec la concentration en phosphore, la corrélation avec la colonie des pucerons est négative. Quant au troisième niveau trophique, une réduction significative du taux de parasitisme chez A. certus a été observée en présence du rhizobium seul, mais aucun autre paramètre n’a été affecté comparativement aux autres traitements : contrôle, CMA et double inoculant (CMA+rhizobium). Avec le prédateur C. maculata, aucun paramètre mesuré n’a été affecté par les effets indirects des inoculants. Il ressort de l’évaluation que j’ai faite au champ (objectif 3), une augmentation de l'abondance des insectes piqueurs-suceurs avec le triple inoculant (CMA+rhizobium+Bacillus), mais aucune différence entre les traitements pour les autres groupes d'insectes (broyeurs, et ennemis naturels des pucerons). Aucun groupe fonctionnel n’a été affecté en présence du double inoculant CMA+rhizobium sauf le puceron du soja, A. glycines, qui a vu sa population décroître mais seulement dans les parcelles fertilisées en potassium. J’ai également montré que les abondances des insectes piqueurs-suceurs et des insectes broyeurs, et la diversité alpha des insectes phytophages étaient toutes corrélées négativement avec la colonisation mycorhizienne globale. Ces résultats confirment que la co-inoculation de deux symbiotes peut non seulement améliorer les performances des plantes mais aussi celles des insectes phytophages au-delà de ce que chaque symbiote peut apporter seul. Au moins dans notre système d'étude en chambre de croissance, il semble que les avantages que les symbioses microbe-plante confèrent au deuxième niveau trophique avec une augmentation de la population de pucerons sont peu transférés au troisième niveau sur les ennemis naturels du puceron. Dans un système agricole où les agriculteurs veulent bénéficier des retombées de ces inoculants, notamment dans la gestion des insectes associés aux cultures, les CMA semblent favorables s’ils sont utilisés seuls et du fait de leur potentiel à réduire les insectes ravageurs. / The use of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth promoting bacteria (PGPR) inoculants, as biofertilizers to boost plant growth and increase crop yields, is gaining interest. These inoculants can also influence trophic relationships through changes on plant. However, in an agroecological context, it is difficult to predict the effects of their application on higher trophic levels, namely phytophagous insects, and their natural enemies. The objective of this thesis research is to evaluate the effects of mycorrhizal fungi and bacterial inoculants on soybean-associated insects. Specifically, it is to: 1) evaluate the influence on the soybean aphid, Aphis glycines (2nd trophic level), of the tripartite symbiosis between an AMF, Rhizophagus irregularis, a rhizobium bacterium, Bradyrhizobium japonicum, and the soybean, Glycine max; 2) determinate the impact of R. irregularis and B. japonicum inoculants associated with soybean on the natural enemies of soybean aphid, the ladybug Coleomegilla maculata and the parasitoid wasp Aphelinus certus (3rd trophic level); 3) evaluate the effects of co-inoculation of R. irregularis, B. japonicum and Bacillus pumilus inoculants on soybean-associated phytophagous insects and their natural enemies in an agricultural field conditions. The walk-in growth room experiments (objectives 1 and 2) showed an alteration of the performance traits of the plants in the presence of the inoculants compared to control plants. The differences in mycorrhizal colonization and nodulation, observed between treatments, are evidence that the inoculation works. With the double inoculant, I observed an increase in plant biomass, nitrogen and carbon concentrations, and a decrease in phosphorus concentration. With rhizobium inoculation alone, without AMF, I obtained the same effects, except the root biomass that was not affected. With AMF alone, an increase in phosphorus concentration was observed, but none of the other plant parameters were affected. At second trophic level, inoculation of soybeans with the dual inoculant AMF-rhizobium, followed by rhizobium alone, significantly increased aphid population density, while none of inoculant influenced the fitness of the aphid. However, AMF alone did not affect any parameter traits (reproduction and fitness) of the aphid. I noted a positive correlation between nitrogen concentration and aphid reproductive rate, whereas the correlation between phosphorus concentration and aphid colony growth was negative. At the third trophic level, a significant reduction in the rate of parasitism of A. certus was observed in the presence of rhizobium inoculant alone, but no other parameters were affected with any other treatments, namely the control, the AMF inoculant, or the double inoculant (AMF+rhizobium). With the predator C. maculata, no measured parameters were affected by the indirect effects of any of the inoculant treatments. During my field assessment (objective 3), I observed an increase in the abundance of piercing-sucking insects with the triple inoculant (AMF+rhizobium+Bacillus), but no differences between treatments for other insect groups (chewing insects, or natural enemies of aphids). No functional group was affected by the presence of the double inoculant, CMA+rhizobium except the soybean aphid, A. glycines, which saw its population decrease in potassium-fertilized plots. I also showed that the abundance of piercing-sucking insects, chewing insects, and the alpha diversity of phytophagous insects were all negatively correlated with mycorrhizal colonization. The results of my studies confirm that co-inoculation of two symbionts can not only improve plant performance but also that of phytophagous insects beyond what each symbiont can provide alone. At least in our growth chamber study system, it appears that the benefits that microbe-plant symbioses confer to the second trophic level, with an increase in aphid population, are little transferred to the third level on the natural enemies of the soybean aphid. In agricultural system where farmers seek the benefits of these inoculants, especially in the management of insects associated with crops, AMF seem favorable when they are used alone and because of their potential to reduce insect pests.

Les interactions entre les végétaux et les organismes telluriques sont déterminantes pour la décomposition des matières organiques et la nutrition minérale des plantes. L’objectif général de la thèse était de comprendre comment les interactions multi-trophiques dans la rhizosphere agissent sur la disponibilité en azote minéral et l’allocation en carbone dans la plante. Nous avons mis au point des dispositifs de culture de plante, permettant de contrôler l’environnement biotique des racines (inoculation par des espèces symbiotiques modèles : un protozoaire bactériophage et/ou une espèce mycorhizienne à arbuscules). Nous avons utilisé l’azote 15N et le carbone 13C pour tracer le cheminement de l’azote du sol vers la plante et le carbone assimilé par photosynthèse, de la plante vers le sol et les microorganismes du sol. L’allocation de C vers les racines et la rhizosphère est dépendante de la qualité de la litière foliaire enfouie. La structure de la communauté microbienne déterminée par l’analyse des profils d’acides gras (PLFA) est modifiée par la présence de protozoaires pour la litière à C/N élevé. Les mycorhizes à arbuscules et les protozoaires présentent une complémentarité pour l’acquisition du C et de N par la plante. Les protozoaires remobilisent l’azote de la biomasse microbienne par leur activité de prédation. Les hyphes fongiques transportent du C récent issu de la plante vers des sites riches en matière organique non accessibles aux racines. Ainsi, l’activité de la communauté microbienne est stimulée et la disponibilité en N augmentée lorsque des protozoaires sont présents. Les perspectives de ce travail sont de déterminer si (i) les interactions étudiées dans ce dispositif modèle peuvent être généralisées à d’autres interactions impliquant d’autres espèces de champignons mycorhiziens et de protozoaires (ii) la phénologie de la plante et la composition des communautés végétales influence la nature et l’intensité des réponses obtenues / Plants interact with multiple root symbionts for fostering uptake of growth-limiting nutrients. In turn, plants allocate a variety of organic resources in form of energy-rich rhizodeposits into the rhizosphere, stimulating activity, growth and modifying diversity of microorganisms. The aim of my study was to understand how multitrophic rhizosphere interactions feed back to plant N nutrition, assimilate partitioning and growth. Multitrophic interactions were assessed in a single-plant microcosm approach, with arbuscular mycorrhizal fungi (Glomus intraradices) and bacterial feeding protozoa (Acanthamoeba castellanii) as model root symbionts. Stable isotopes enabled tracing C (13C) and N (15N) allocation in the plant and into the rhizosphere. Plant species identity is a major factor affecting plant-protozoa interactions in terms of N uptake and roots and shoot morphology. Plants adjusted C allocation to roots and into the rhizosphere depending on litter quality and the presence of bacterial grazers for increasing plant growth. The effect of protozoa on the structure of microbial community supplied with both, plant C and litter N, varied with litter quality added to soil. AM-fungi and protozoa interact to complement each other for plant benefit in C and N acquisition. Protozoa re-mobilized N from fast growing rhizobacteria and by enhancing microbial activity. Hyphae of AM fungi acted as pipe system, translocating plant derived C and protozoan remobilized N from source to sink regions. Major perspectives of this work will be to investigate whether (i) multitrophic interactions in our model system can be generalized to other protozoa-mycorrhiza-plant interactions (ii) these interactions are depending on plant phenology and plant community composition