3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire / Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems.

Le mutualisme entre les plantes et les champignons arbusculaires mycorhiziens est extrêmement répandu (~ 80% des plantes sont colonisées par ces organismes) et ancien (il ya plus de 450 millions d'années). Cette relation symbiotique est une composante essentielle du fonctionnement des écosystèmes et de leur productivité, et est fortement impliqué dans le cycle de deux éléments clés: le phosphore et le carbone. Le maintien de ce mutualisme est devenu particulièrement important dans le contexte actuel de perte de biodiversité. Un des objectifs de cette thèse était de comprendre la stabilité de ce mutualisme. L'accent a tout d'abord été mis sur les échanges de nutriments impliqués dans cette symbiose, en testant si la plante hôte et les symbiotes fongiques sont capables de discriminer leurs différents partenaires, et d'allouer davantage de ressources aux partenaires fournissant plus de nutriments. J'ai ensuite étudié la possibilité de l'implication de la plante hôte dans la protection des symbiotes mycorhiziens via un transfert de métabolites secondaires dans les hyphes. Nous avons alors pu emettre une nouvelle hypothèse suggérant que la protection en métabolites secondaires venant de la plante serait positivement corrélée avec le niveau de coopération (à savoir le transfert des nutriments) du champignon symbiotique. L'echelle d'étude est ensuite passée de l'individu à la communauté en étudiant les effets de la diminution de la diversité végétale sur la diversité des symbiotes racinaires. Pour ce faire, des analyses moléculaires et des outils novateurs ont été utilisés, tels que le séquençage à haut débit. Pour faciliter encore l'étude des séquences obtenues et d'autres séquences fongiques, j'ai collaboré avec des collègues afin de créer une base de données 'Phymyco-DB' rendue publique en 2012. Enfin, je discute de l'implication du mutualisme mycorhizien dans le contexte des systèmes agricoles actuels et propose de nouvelles trajectoires pour gérer ces systèmes. Ce projet de thèse apporte un nouvel éclairage sur la façon dont fonctionnent ces interactions entre les plantes et champignons MA et sur la manière dont ils façonnent les processus écologiques et les trajectoires évolutives dans les écosystèmes naturels et agricoles. Ces points sont d'une importance majeure pour développer une agriculture plus écologiquement intensive et durable. Le projet a fourni de nouvelles connaissances et perspectives sur la perte de la diversité végétale, et ses conséquences pour la stabilité de la symbiose AM. Comme les champignons mycorhiziens sont essentiels dans les processus des écosystèmes et l'entretien de la fertilité des sols, ce travail devrait avoir un large impact dans (i) la politique de protection des sols, (ii) la recherche sur l'amélioration des plantes et (iii) la conception de systèmes agricoles durables. / The mutualism between plants and arbuscular mycorrhizal fungi is extremely widespread (~ 80% of plants are colonized by these organisms) and ancient (over 450 million years ago). This symbiotic relationship is an essential component of healthy ecosystem functioning and productivity, and is strongly involved in the cycle of two key elements: phosphorus and carbon. Maintaining this mutualism has become especially important in the current context of a biodiversity loss. One goal of this thesis was to understand the stability of the mutualism. I first focused on nutrient exchange, testing whether plant host and fungal symbionts are able to discriminate among partners, and allocate more resources to those individuals providing more nutrients. I then explored the possibility of the host-plant involvement in the protection of mycorrhizal symbionts via a transfer of secondary metabolites into fungal hyphae. We introduced a new hypothesis suggesting that chemcial protection from the plant is positively correlated with the level of cooperation (i.e. nutrient transfer) of the fungal symbiont. I then moved from the individual to the community by studying the effects of decreasing plant diversity on the diversity of root symbionts. To this aim, I utilized molecular analyzes and innovative tools, such as high throughput sequencing. To further facilitate the study of the obtained sequences and other fungal sequences, I worked with colleagues to create a database ‘Phymyco-DB’ which was released to the public in 2012. Finally, I discuss the implication of the mycorrhizal mutualism in the context of current agricultural systems and propose new trajectories to manage these systems. This PhD project provides new insights on how plant and AM fungi interactions work and how they shape ecological processes and evolutionary trajectories in natural and agricultural ecosystems. These points are of major importance to develop a more ecologically intensive agriculture. The project has provided new knowledge and perspectives on the loss of plant diversity, and its consequences for AM symbiosis stability. As arbuscular mycorrhizal fungi are essential in ecosystem processes and soil fertility maintenance, this work should have a broad impact in (i) the soil protection policy, (ii) the research on plant breeding and (iii) the design of sustainable agricultural systems.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems. / 3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire

Le mutualisme entre les plantes et les champignons arbusculaires mycorhiziens est extrêmement répandu (~ 80% des plantes sont colonisées par ces organismes) et ancien (il ya plus de 450 millions d'années). Cette relation symbiotique est une composante essentielle du fonctionnement des écosystèmes et de leur productivité, et est fortement impliqué dans le cycle de deux éléments clés: le phosphore et le carbone. Le maintien de ce mutualisme est devenu particulièrement important dans le contexte actuel de perte de biodiversité. Un des objectifs de cette thèse était de comprendre la stabilité de ce mutualisme. L'accent a tout d'abord été mis sur les échanges de nutriments impliqués dans cette symbiose, en testant si la plante hôte et les symbiotes fongiques sont capables de discriminer leurs différents partenaires, et d'allouer davantage de ressources aux partenaires fournissant plus de nutriments. J'ai ensuite étudié la possibilité de l'implication de la plante hôte dans la protection des symbiotes mycorhiziens via un transfert de métabolites secondaires dans les hyphes. Nous avons alors pu emettre une nouvelle hypothèse suggérant que la protection en métabolites secondaires venant de la plante serait positivement corrélée avec le niveau de coopération (à savoir le transfert des nutriments) du champignon symbiotique. L'echelle d'étude est ensuite passée de l'individu à la communauté en étudiant les effets de la diminution de la diversité végétale sur la diversité des symbiotes racinaires. Pour ce faire, des analyses moléculaires et des outils novateurs ont été utilisés, tels que le séquençage à haut débit. Pour faciliter encore l'étude des séquences obtenues et d'autres séquences fongiques, j'ai collaboré avec des collègues afin de créer une base de données 'Phymyco-DB' rendue publique en 2012. Enfin, je discute de l'implication du mutualisme mycorhizien dans le contexte des systèmes agricoles actuels et propose de nouvelles trajectoires pour gérer ces systèmes. Ce projet de thèse apporte un nouvel éclairage sur la façon dont fonctionnent ces interactions entre les plantes et champignons MA et sur la manière dont ils façonnent les processus écologiques et les trajectoires évolutives dans les écosystèmes naturels et agricoles. Ces points sont d'une importance majeure pour développer une agriculture plus écologiquement intensive et durable. Le projet a fourni de nouvelles connaissances et perspectives sur la perte de la diversité végétale, et ses conséquences pour la stabilité de la symbiose AM. Comme les champignons mycorhiziens sont essentiels dans les processus des écosystèmes et l'entretien de la fertilité des sols, ce travail devrait avoir un large impact dans (i) la politique de protection des sols, (ii) la recherche sur l'amélioration des plantes et (iii) la conception de systèmes agricoles durables.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un groupe de champignons qui appartient à l'embranchement des Gloméromycètes (Glomeromycota). Les CMA forment des associations symbiotiques, connus sous le nom des mycorhizes à arbuscules avec plus de 80 % des plantes vasculaires terrestres. Une fois que les CMA colonisent les racines de plantes, ils améliorent leurs apports nutritionnels, notamment le phosphore et l'azote, et protègent les plantes contre les différents pathogènes du sol. En contrepartie, les plantes offrent un habitat et les ressources de carbone nécessaires pour le développement et la reproduction des CMA. Des études plus récentes ont démontré que les CMA peuvent aussi jouer des rôles clés dans la phytoremédiation des sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers (HP) et les éléments traces métaliques. Toutefois, dans les écosystèmes naturels, les CMA établissent des associations tripartites avec les plantes hôtes et les microorganismes (bactéries et champignons) qui vivent dans la rhizosphère, l'endosphère (à l'intérieur des racines) et la mycosphère (sur la surface des mycéliums des CMA), dont certains d'entre eux jouent un rôle dans la translocation, l’immobilisation et/ou la dégradation des polluants organiques et inorganiques présents dans le sol. Par conséquent, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés sont influencées par la concentration et la composition des polluants présents dans le sol, et aussi par les différents exsudats sécrétés par les trois partenaires (CMA, bactéries et les racines de plantes). Cependant, la diversité des CMA et celle des microorganismes qui leur sont associés demeure très peu connue dans les sols contaminés. Les interactions entre les CMA et ces microorganismes sont aussi méconnus aussi bien dans les aires naturelles que contaminées. Dans ce contexte, les objectifs de ma thèse sont: i) étudier la diversité des CMA et les microorganismes qui leur sont associés dans des sols contaminés par les HP, ii) étudier la variation de la diversité des CMA ainsi que celle des microorganismes qui leur sont associés par rapport au niveau de concentration en HP et aux espèces de plantes hôtes, iii) étudier les correlations (covariations) entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés et iv) comparer les communautés microbiennes trouvées dans les racines et sols contaminés par les HP avec celles trouvées en association avec les CMA. Pour ce faire, des spores et/ou des propagules de CMA ont été extraites à partir des racines et des sols de l'environnement racinaire de trois espèces de plantes qui poussaient spontanément dans trois bassins de décantation d'une ancienne raffinerie de pétrole située dans la Rive-Sud du fleuve St-Laurent, près de Montréal. Les spores et les propagules collectées, ainsi que des échantillons du sol et des racines ont été soumis à des techniques de PCR (nous avons ciblés les genes 16S de l'ARNr pour bactéries, les genes 18S de l'ARNr pour CMA et les régions ITS pour les autres champignons), de clonage, de séquençage de Sanger ou de séquençage à haut débit. Ensuite, des analyses bio-informatiques et statistiques ont été réalisées afin d'évaluer les effets des paramètres biotiques et abiotiques sur les communautés des CMA et les microorganismes qui leur sont associés. Mes résultats ont montré une diversité importante de bactéries et de champignons en association avec les spores et les propagules des CMA. De plus, la communauté microbienne associée aux spores des CMA a été significativement affectée par l'affiliation taxonomique des plantes hôtes et les niveaux de concentration en HP. D'autre part, les corrélations positives ou négatives qui ont été observées entre certaines espèces de CMA et microorganismes suggérèrent qu’en plus des effets de la concentration en HP et l'identité des plantes hôtes, les CMA peuvent aussi affecter la structure des communautés microbiennes qui vivent sur leurs spores et mycéliums. La comparaison entre les communautés microbiennes identifiées en association avec les spores et celles identifiées dans les racines montre que les communautés microbiennes recrutées par les CMA sont différentes de celles retrouvées dans les sols et les racines. En conclusion, mon projet de doctorat apporte de nouvelles connaissances importantes sur la diversité des CMA dans un environnement extrêmement pollué par les HP, et démontre que les interactions entre les CMA et les microorganismes qui leur sont associés sont plus compliquées que ce qu’on croyait précédemment. Par conséquent, d'autres travaux de recherche sont recommandés, dans le futur, afin de comprendre les processus de recrutement des microorganismes par les CMA dans les différents environnements. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are an important soil fungal group that belongs to the phylum Glomeromycota. AMF form symbiosic associations known as arbuscular mycorrhiza with more than 80% of vascular plants on earth. Once AMF colonize plant roots, they promote nutrient uptake, in particular phosphorus and nitrogen, and protect plants against soil-borne pathogens. In turn, plants provide AMF with carbon resources and habitat. Furthermore, more recent studies demonstrated that AMF may also play key roles in phytoremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbon pollutants (PHP) and trace elements. Though, in natural ecosystems, AMF undergo tripartite associations with host plants and micoorganisms (Bacteria and Fungi) living in rhizosphere (the narrow region of soil surounding the plant roots), endosphere (inside roots) and mycosphere (on the surface AMF mycelia), which some of them play a key role on translocation, immobilization and/or degradation of organic and inorganic pollutants. Consequently, the diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms are influenced by the composition and concentration of pollutants and exudates released by the three partners (AMF, bacteria and plant roots). However, little is known about the diversity of AMF and their associated microorganisms in polluted soils and the interaction between AMF and these microorganisms remains poorly understood both in natural and contaminated areas. In this context, the objectives of my thesis were to: i) study the diversity of AMF and their associated microorganisms in PHP contaminated soils, ii) study the variation in diversity and community structures of AMF and their associated microorganisms across plant species identity and PHP concentrations, iii) study the correlations (covariations) between AMF species and their associated microorganisms and iv) compare microbial community structures of PHP contaminated soils and roots with those associated with AMF spores in order to determine if the microbial communities shaped on the surface of AMF spores and mycelia are different from those identified in soil and roots. To do so, AMF spores and/or their intraradical propagules were harvested from rhizospheric soil and roots of three plant species growing spontaneously in three distinct waste decantation basins of a former petrochemical plant located on the south shore of the St-Lawrence River, near Montreal. The harvested spores and propagules, as well as samples of soils and roots were subjected to PCR (we target 16S rRNA genes for bacteria, 18S rRNA genes for AMF and ITS regions for the other fungi), cloning, Sanger sequencing or 454 high throughput sequencing. Then, bioinformatics and statistics were performed to evaluate the effects of biotic and abiotic driving forces on AMF and their associated microbial communities. My results showed high fungal and bacterial diversity associated with AMF spores and propagules in PHP contaminated soils. I also observed that the microbial community structures associated with AMF spores were significantly affected by plant species identity and PHP concentrations. Furthermore, I observed positive and negative correlations between some AMF species and some AMF-associated microorganisms, suggesting that in addition to PHP concentrations and plant species identity, AMF species may also play a key role in shaping the microbial community surrounding their spores. Comparisons between the AMF spore-associated microbiome and the whole microbiome found in rhizospheric soil and roots showed that AMF spores recruit a microbiome differing from those found in the surrounding soil and roots. Overall, my PhD project brings a new level of knowledge on AMF diversity on extremely polluted environment and demonstrates that interaction of AMF and their associated microbes is much complex that we though previously. Further investigations are needed to better understand how AMF select and reward their associated microbes in different environments.

réalisé en cotutelle avec la Faculté des Sciences de Tunis, Université Tunis El Manar. / Le pois chiche (Cicer arietinum L.) a l’avantage de pouvoir assimiler l'azote atmosphérique grâce à son association symbiotique avec des bactéries du genre Mesorhizobium. Malgré cet effet bénéfique sur les systèmes culturaux, le pois chiche réduit parfois la productivité du blé qui la suit. Cet effet négatif du pois chiche pourrait provenir d’une réaction allélopathique à ses exsudats racinaires ou résidus, ou de changements inopportuns dans la communauté microbienne du sol induits par la plante. L'amélioration des interactions symbiotiques du pois chiche pourrait améliorer la performance économique et environnementale des systèmes culturaux basés sur le blé. L’objectif à long terme de ce travail est d'améliorer l’influence du pois chiches sur son environnement biologique et sur la productivité du système cultural. À court terme, nous voulons 1) vérifier l'effet des champignons endophytes sur la performance de cultivars de pois chiche de type desi et kabuli, particulièrement en conditions de stress hydrique, ainsi que sur celle d’une culture subséquente de blé dur, 2) identifier des cultivars de pois chiche capables d’améliorer la qualité biologique de sols cultivés, 3) vérifier que des composés biologiquement actifs sont présents dans les racines des différents cultivars de pois chiches et 4) définir la nature de l’activité (stimulation ou inhibition) des ces composés sur les champignons endomycorhiziens à arbuscules (CMA), qui sont des microorganismes bénéfiques du sol reconnus. L’inoculation du pois chiche avec des champignons endophytes indigènes en serre a augmenté la tolérance à la sécheresse du cultivar de type kabuli à feuille simple CDC Xena et amélioré la nutrition azotée et phosphatée d’un cultivar de type desi, cv. CDC Nika, cultivé en conditions de stress hydrique. La germination des graines de blé dur fut meilleure lorsque celles-ci étaient semées dans les débris de pois chiche inoculé de type kabuli. Le sol dans lequel le génotype de pois chiche à feuille simple CDC Xena fut cultivé mais duquel tout le matériel végétal de pois chiche fut retiré a fortement inhibé la germination des semences de blé dur, ce qui suggère un effet des exsudats racinaires sur la communauté microbienne du sol associée à cette variété de pois chiche. En champ, les cultivars de pois chiche ont influencé différemment la composition des communautés de champignons de la rhizosphère. Les espèces de champignons pathogènes étaient infréquentes et les espèces saprotrophiques et de CMA étaient fréquentes dans la zone des racines du cultivar de type desi CDC Anna. L’effet des composés contenus dans les fractions séparées par HPLC et solubles en solution de méthanol à 25% et 50% de l’extrait racinaire de ce cultivar sur la germination de spores de CMA a été testé in vitro. Les deux espèces de CMA utilisées ont répondu différemment à l’exposition aux composés testés, révélant un mécanisme impliqué dans l’association préférentielle entre les plantes hôtes et les CMA qui leurs sont associés. Nous concluons que le génotype de pois chiche influence la composition de la communauté microbienne qui lui est associée et que cette influence est reliée au moins en partie aux molécules bioactives produites par les racines de la plante. D’autre part, la productivité du pois chiche et de la culture subséquente pourrait être favorisée par la manipulation de leurs champignons endophytes par inoculation. / Chickpea (Cicer arietinum L.) has the ability to bring free N into cropping systems, but is only a fair rotation crop, leading to lower yield in following wheat crops, as compared to medic, vetch or lentil. The negative effects of a chickpea plant on the following wheat crops could come from chickpea root exudates, their residues or their influence on the soil microbial community. The identification of chickpea cultivars best able to promote soil biological quality and the growth of a subsequent crop in rotation will help farmers in selecting better crop rotations and, thus, will improve crop management in soil zone growing chickpea. The global objective of this research is to improve the fitness of chickpea crops to their biological environment and to improve the ability of the plant to enhance soil biological quality. The specific objectives were (1) to verify that the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation by some indigenous endophytic fungi particularly under drought stress conditions (2) to verify the existence of variation in the rhizospheric associations of field-grown chickpea, as it is a necessary condition for the selection of genotypes with improved compatibility with beneficial microorganisms. (3) to identify the biologically active compounds present in the root extracts of chickpea cultivars with contrasting phenotypes, and assess their effect on beneficial and pathogenic soil microorganisms. The greenhouse experiments show that inoculation with indigenous endophytes increased drought tolerance of the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena and the N and P nutrition of the drought stressed Desi chickpea CDC Nika. Inoculation of both Kabuli chickpea varieties with indigenous endophytes improved wheat seeds germination in tissues amended soil. Residue-free soil previously growing the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena strongly inhibited durum seed germination suggesting an effect of root exudates on the soil microbial community, with this Kabuli chickpea variety. In a field experiment, the fungal diversity in cultivated Prairie dryland appeared to host a large array of fungal groups known to reduced plant nutrient, water and biotic stresses, and chickpea genotypes influenced differently the composition and biomass of the soil microbial community. The Desi chickpea CDC Anna was associated with high diversity of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and culturable fungi, favored the proliferation of soil bacteria and fungal genus hosting biocontrol agents, and developed high AM root colonization level, as compared to the three Kabuli genotypes examined. The HPLC fractions of the roots of chickpea cultivar CDC Anna were recovered and the effects of these fractions on AM fungal spore germination were assayed in multi-well plates. Root extract fractions affect in a different ways the percentage of spores’ germination of Glomus etunicatum and Gigaspora Rosea. We concluded that the genotype of chickpea plants influences the composition of the associated microbial community, and this influence may be related to molecular signals produced by the plants. Furthermore, the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation with indigenous endophytic fungi.

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.

Le pois chiche (Cicer arietinum L.) a l’avantage de pouvoir assimiler l'azote atmosphérique grâce à son association symbiotique avec des bactéries du genre Mesorhizobium. Malgré cet effet bénéfique sur les systèmes culturaux, le pois chiche réduit parfois la productivité du blé qui la suit. Cet effet négatif du pois chiche pourrait provenir d’une réaction allélopathique à ses exsudats racinaires ou résidus, ou de changements inopportuns dans la communauté microbienne du sol induits par la plante. L'amélioration des interactions symbiotiques du pois chiche pourrait améliorer la performance économique et environnementale des systèmes culturaux basés sur le blé. L’objectif à long terme de ce travail est d'améliorer l’influence du pois chiches sur son environnement biologique et sur la productivité du système cultural. À court terme, nous voulons 1) vérifier l'effet des champignons endophytes sur la performance de cultivars de pois chiche de type desi et kabuli, particulièrement en conditions de stress hydrique, ainsi que sur celle d’une culture subséquente de blé dur, 2) identifier des cultivars de pois chiche capables d’améliorer la qualité biologique de sols cultivés, 3) vérifier que des composés biologiquement actifs sont présents dans les racines des différents cultivars de pois chiches et 4) définir la nature de l’activité (stimulation ou inhibition) des ces composés sur les champignons endomycorhiziens à arbuscules (CMA), qui sont des microorganismes bénéfiques du sol reconnus. L’inoculation du pois chiche avec des champignons endophytes indigènes en serre a augmenté la tolérance à la sécheresse du cultivar de type kabuli à feuille simple CDC Xena et amélioré la nutrition azotée et phosphatée d’un cultivar de type desi, cv. CDC Nika, cultivé en conditions de stress hydrique. La germination des graines de blé dur fut meilleure lorsque celles-ci étaient semées dans les débris de pois chiche inoculé de type kabuli. Le sol dans lequel le génotype de pois chiche à feuille simple CDC Xena fut cultivé mais duquel tout le matériel végétal de pois chiche fut retiré a fortement inhibé la germination des semences de blé dur, ce qui suggère un effet des exsudats racinaires sur la communauté microbienne du sol associée à cette variété de pois chiche. En champ, les cultivars de pois chiche ont influencé différemment la composition des communautés de champignons de la rhizosphère. Les espèces de champignons pathogènes étaient infréquentes et les espèces saprotrophiques et de CMA étaient fréquentes dans la zone des racines du cultivar de type desi CDC Anna. L’effet des composés contenus dans les fractions séparées par HPLC et solubles en solution de méthanol à 25% et 50% de l’extrait racinaire de ce cultivar sur la germination de spores de CMA a été testé in vitro. Les deux espèces de CMA utilisées ont répondu différemment à l’exposition aux composés testés, révélant un mécanisme impliqué dans l’association préférentielle entre les plantes hôtes et les CMA qui leurs sont associés. Nous concluons que le génotype de pois chiche influence la composition de la communauté microbienne qui lui est associée et que cette influence est reliée au moins en partie aux molécules bioactives produites par les racines de la plante. D’autre part, la productivité du pois chiche et de la culture subséquente pourrait être favorisée par la manipulation de leurs champignons endophytes par inoculation. / Chickpea (Cicer arietinum L.) has the ability to bring free N into cropping systems, but is only a fair rotation crop, leading to lower yield in following wheat crops, as compared to medic, vetch or lentil. The negative effects of a chickpea plant on the following wheat crops could come from chickpea root exudates, their residues or their influence on the soil microbial community. The identification of chickpea cultivars best able to promote soil biological quality and the growth of a subsequent crop in rotation will help farmers in selecting better crop rotations and, thus, will improve crop management in soil zone growing chickpea. The global objective of this research is to improve the fitness of chickpea crops to their biological environment and to improve the ability of the plant to enhance soil biological quality. The specific objectives were (1) to verify that the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation by some indigenous endophytic fungi particularly under drought stress conditions (2) to verify the existence of variation in the rhizospheric associations of field-grown chickpea, as it is a necessary condition for the selection of genotypes with improved compatibility with beneficial microorganisms. (3) to identify the biologically active compounds present in the root extracts of chickpea cultivars with contrasting phenotypes, and assess their effect on beneficial and pathogenic soil microorganisms. The greenhouse experiments show that inoculation with indigenous endophytes increased drought tolerance of the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena and the N and P nutrition of the drought stressed Desi chickpea CDC Nika. Inoculation of both Kabuli chickpea varieties with indigenous endophytes improved wheat seeds germination in tissues amended soil. Residue-free soil previously growing the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena strongly inhibited durum seed germination suggesting an effect of root exudates on the soil microbial community, with this Kabuli chickpea variety. In a field experiment, the fungal diversity in cultivated Prairie dryland appeared to host a large array of fungal groups known to reduced plant nutrient, water and biotic stresses, and chickpea genotypes influenced differently the composition and biomass of the soil microbial community. The Desi chickpea CDC Anna was associated with high diversity of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and culturable fungi, favored the proliferation of soil bacteria and fungal genus hosting biocontrol agents, and developed high AM root colonization level, as compared to the three Kabuli genotypes examined. The HPLC fractions of the roots of chickpea cultivar CDC Anna were recovered and the effects of these fractions on AM fungal spore germination were assayed in multi-well plates. Root extract fractions affect in a different ways the percentage of spores’ germination of Glomus etunicatum and Gigaspora Rosea. We concluded that the genotype of chickpea plants influences the composition of the associated microbial community, and this influence may be related to molecular signals produced by the plants. Furthermore, the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation with indigenous endophytic fungi. / réalisé en cotutelle avec la Faculté des Sciences de Tunis, Université Tunis El Manar.

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 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.