Le chêne-liège (Quercus suber) est une essence forestière d’une grande importance écologique et socio-économique pour les habitants de Méditerranée. Cependant, au cours des dernières décennies, ces subéraies et particulièrement les subéraies marocaines ont été soumises à de fortes contraintes climatiques, environnementales et humaines entrainant une accélération des processus de dégradation. La conservation de ces écosystèmes est fortement dépendante de notre capacité à prédire les changements induits par ces différentes pressions ainsi que du développement d’approches durables pour leur réhabilitation. Dans ce contexte, l’identification d’indicateurs biologiques de l’état de santé des subéraies et l'intensification des processus de facilitation entre plantes (arbres/arbustes) apparaissent comme des stratégies écologiques prometteuses. Le succès de ces approches est cependant assujetti à notre compréhension des interactions entre les communautés végétales et les champignons du sol, notamment les champignons mycorhiziens, éléments clés du fonctionnement des écosystèmes forestiers. Ce travail a visé le décryptage des réseaux fongiques, notamment mycorhiziens associés au chêne-liège et la végétation du sous-bois dans trois subéraies marocaines (Maâmora, Benslimane, Chefchaoun) caractérisées par différents niveaux de dégradation. La diversité fongique associée aux racines du chêne-liège et à plusieurs plantes arbustives représentatives des subéraies (Cistus salviifolius, Cistus monpeliensis et Lavandula stoechas) a été étudiée en combinant les méthodes traditionnelles basées sur l’aspect morphologique des mycorhizes et les nouvelles technologies de séquençage haut-débit par identification moléculaire des communautés fongiques.Les résultats obtenus représentent la plus vaste enquête de la diversité fongique du sol, notamment mycorhizienne, au sein des subéraies marocaines. Différents niveaux de structuration des communautés de champignons du sol ont été révélés, fonction de l’habitat, du type de plantes et de l'état de dégradation. Une large gamme d’indicateurs fongiques de l’état de dégradation de la subéraie, en lien avec la plantes hôte, ont pu être mise en évidence au sein des différents habitats, soulignant l’importance de plusieurs champignons ectomycorhiziens (notamment Cenococcum, Russula, Terfezia et Tomentella) mais aussi des champignons mycorhiziens éricoïdes (Cladophialophora, Oidiodendron) et à arbuscules (Rhizophagus, Redeckera, Racocetra, Paraglomus). Ce travail a permis d’établir une base de données majeure sur l’écologie des champignons du sol dans les subéraies marocaines, et de proposer un nouvel éclairage sur leur potentiel pour le suivi de l’état de santé des subéraies, ainsi que pour la mise en place de programmes de conservation adaptés tenant compte aussi des champignons associés. L’application des approches proposées à une plus large diversité d’écosystèmes forestiers devrait constituer un atout important pour la meilleure compréhension du fonctionnement biologique des écosystèmes forestiers et leur sauvegarde face à l’aggravation des pressions humaines et climatiques au niveau mondial. / The Cork oak (Quercus suber) forests play an important role in terms of ecological services and socio-economic development for the Mediterranean populations. However, the cork oak forests, notably in the Southern Mediterranean basin are highly threatened by increasing human and climate pressures, which accelerates desertication. The conservation of this ecosytem is strongly dependent of our ability to predict the environmental changes induced by these pressures as well as to develop sustainable approach for their restoration. In this context, the identification of biological indicators of cork oak health and the intensification of plant-plant facilitation processes appears as promisising ecological strategies. Their success is however subjected to our understanding of plant-fungal interactions, notably with fungal mycorrhiza, key factors of forest ecosystem functionning. The current work aimed at deciphering plant-fungal networks, notably mycorrhizal networks with cork oak and its understory shrub vegetation in three Moroccan cork oak habitats (Maâmora, Benslimane, Chefchaoun) characterized by different degradation levels. The root-fungal diversity associated to cork oak and major components of its understory shrub vegetation (Cistus salviifolius, Cistus monpeliensis et Lavandula stoechas) has been analysed by combining traditional methods based on morphological identification, and new generation high- throughput DNA sequencing methods to characterize communities at the molecular level.The study represents the most extensive survey of soil fungal diversity, notably mycorrhizal diversity, in Moroccan cork oak ecosystems. Different fungal community structures were revealed, depending on habitat, plant host type, and degradation forest status. A wide range of fungal indicators of plant type × forest status has been identified, highlighting the importance of several ectomycorrhizal fungi (notably Cenococcum, Russula, Terfezia and Tomentella) as well as ericoid mycorrhizal fungi (Cladophialophora, Oidiodendron) and arbuscular mycorrhizal fungi (Rhizophagus, Redeckera, Racocetra, and Paraglomus). The current work provides an extensive database on the ecology of soil fungi related to the Moroccan cork oak forest, offers new insights into the potential of soil fungi for monitoring the health of the cork oak forest, and for the developement of efficient conservation programs of this ecosystem by taking into account the soil fungal communties associated. The use of proposed appoaches to a larger diversity of forest ecosystems are promising to better understand the biological fonctionning of forest ecosystem and their conservation in response to the worsening of worldwide human and climate pressures.

Les plantes vivent en association avec une grande diversité de microorganismes qui forment son microbiota. Ce microbiote fournit des fonctions clés qui influencent tous les aspects de la vie d'une plante, de l'établissement à la croissance jusqu'à la production. Cette thèse a pour intention de déterminer les règlent d'assemblage du microbiote et ses conséquences pour le phénotypel l'adaptation et l'évolution des plantes. Pour atteindre cet objectif nous avont utilisé différentes approches expérimentales comprenant des plantes clonales comme organismes modèles ainsi que des mésocosmes prairiaux pour analyses à l'échelle des communautés. Nos résultats ont démontré i) que les Champignons Mycohiziens à Arbuscules induisent d'important es variations phénotypiques pour les traits des plantes clonales impliqués dans l'exploration de l'espace et l'exploitation des ressources. Ces changements dépendent de l'identité des symbiontes et altèrent les capacités des plantes à développer des réponses plastiques à l'hétérogénéité environnementale. ii) Les plantes ont évolué un méchanisme permettant la transmission d'une partie de leur microbiote a leur descendance, assurant la qualité de leur habitat. iii) Le contexte spécifique des communautés de plantes est un facteur majeur structurant l'assemblage du microbiota des plantes à échelle locale. L'abondance de certaines espèces de plante dans le voisinage d'une plante cible augmente ou diminue la diversité de son microbiote, déterminant in fine ses performances. De manière générale, cette thèse démontre l'importance des organismes symbiotiques dans la compréhension de l'adaptation et de l'évolution des plantes. / Plants live in association with a wide diversity of microorganisms forming the microbiota. The plant microbiota provides a variety of key functions that influence many aspects of plant's life comprising establishment, growth and reproduction. The present thesis aims at determining the assembly rules of the plant microbiota and its consequences for plant phenotype, adaptation and evolution. To fulfill this objective, we used different experimental approaches using either clonal plants as model organisms or grassland mesocosms for community-wide analyses. Our results demonstrated i) that Arbuscular Mycorrhizal Fungi induce important phenotypic variations in clonal plants traits involved in space exploration and resources exploitation. These changes depended on the identity of the symbionts and altered the plants ability to produce plastic responses to environmental heterogeneity. ii) Plants have evolved a mechanism allowing the transmission of a part of their microbiota to their progeny, ensuring thus their habitat quality. iii) The plant community context is a major factor structuring local plant microbiota assembly. Particular plant species identity in the neighborhood increase or decrease the microbiota diversity and ultimately determine the focal plant performance. This thesis overall demonstrates the importance of symbiotic microorganisms in the understanding of the plant adaptation and evolution. From the knowledges acquired we developed a novel understanding of symbiotic interactions in clonal plants by extending the holobiont theory to the meta-holobiont theory.

La thèse porte sur l'impact de changements globaux sur la diversité taxonomique et fonctionnelle des champignons du sol. L'impact de l'intensification agricole sur les champignons mycorhiziens à arbuscules a été évalué par comparaison des communautés fongiques présentes sur des sites Européens soumis à différents niveaux d'intensification dans l'usage des terres. La diversité taxonomique a été appréciée par « métabarcoding » sur l'ADN de sol. L'effet de l'intensification apparait lié au contexte local. L'adaptation aux conditions environnementales locales ainsi que des processus stochastiques semblent jouer un rôle important dans le modelage des communautés fongiques. L'effet des changements climatiques en zone Méditerranéenne a été évalué sur les sols d'un site expérimental où une réduction de la pluviométrie a été établie. Nous avons réalisé une approche de séquençage haut débit de 4 familles géniques, 3 d'entre elles codant des enzymes actives sur la biomasse végétale. La date d'échantillonnage, et non la réduction de pluviométrie, a un fort impact sur la diversité béta. Nous formulons l'hypothèse que les communautés fongiques présentes sur des sites soumis à de fortes et récurrentes variations climatiques ont développé des stratégies adaptatives leur conférant une résistance à des variations d'une plus forte intensité. Enfin, une technique indépendante de la PCR (« solution hybrid selection capture ») a été adaptée pour étudier la diversité fonctionnelle des communautés eucaryotes à partir d'ARN de sol. Cette approche, testée sur une famille génique codant des endoxylamases a permis l'isolement d'ADNc complets produisant des enzymes fonctionnelles dans la levure / In this thesis we assessed the impact of two drivers of global change on the taxonomic and functional diversity of soil fungi. The impact of changes in land use on symbiotic Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) was evaluated comparing AMF communities from European sites with different levels of land use intensification. AMF taxonomic diversity was assessed by metabarcoding using soil-extracted DNA. The effect of land use intensification was found to be context-dependent. Adaptation to local environmental conditions and stochastic processes may play important roles in shaping these communities. The effect of climate change in the Mediterranean area was assessed in soils collected from an experimental forest where a rainfall reduction experiment had been established. A parallel high-throughput metabarcoding on soil-extracted RNA was performed on four transcribed fungal genes, 3 of them encodind enzymes involved in plant biomass degradation. Analyses indicated that sampling time had a strong impact on beta-diversity indices, while rainfall reduction had not. We hypothesized that microbial communities present in environments which naturally experience strong and recurrent climatic variations have developed adaptive strategies to cope with these variations and may be to some extent resistant to further climate changes. Finally, an original PCR-independent technique (“solution hybrid selection capture”) was adapted to study the functional diversity of eukaryotic microbial communities using soil RNA. The approach, tested on an endoxylanase gene family, allowed the efficient recovery of full-length cDNA which could be expressed as functional proteins in yeast

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.

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

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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 activités industrielles, la production d’énergie le transport et l’urbanisation ont engendré de sérieux problèmes environnementaux qui ont des effets néfastes non seulement pour les divers écosystèmes, mais aussi pour la santé des Humains. Il existe plusieurs méthodes de réhabilitation des sites contaminés. Les méthodes dites conventionnelles consistent le plus souvent à excaver, transporter et entreposer des sols dans des sites d’enfouissements, alors que d’autres technologies utilisent des traitements physico-chimiques ou l’incinération des polluants. Les inconvénients majeur de ces méthodes en sont le coût élevé, l’émission des gaz à effet de serre et la destruction des habitats. Cependant, plusieurs technologies ont émergé ces dernières décennies. Parmi ces technologies émergentes, la phytoremédiation est une méthode prometteuse et dont l’efficacité devienne de plus en plus reconnue. La phytoremédiation consiste à utiliser des plantes et les microbes qui leurs sont associés pour dégrader, extraire ou stabiliser les polluants du sol aussi bien organiques qu’inorganiques. Parmi les microbes associés aux racines des plantes, on trouve les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) dont le rôle en phytoremédiation a été montré. Cependant, la diversité et les changements des structures des communautés de ces champignons dans des sites hautement contaminés et en association avec les populations des plantes qui poussent spontanément dans ces sites demeurent méconnues. L’objectif de mon projet de maitrise consiste à étudier la diversité et la structure des communautés des CMA dans les racines et les sols rhizosphériques de trois espèces de plantes Eleocharis elliptica, Populus tremuloides et Persicaria maculosa qui poussent spontanément dans des bassins d’une ancienne raffinerie pétro-chimique. J’ai échantillonné trois individus par espèce de plante dans trois bassins qui ont montré des concentrations différentes des polluants pétroliers. J’ai utilisé l’approche de la PCR conventionnelle, le clonage et le séquençage en ciblant le gène 18S de l’ARN ribosomique autant sur des échantillons de racines et des que sur ceux de sols rhizophériques. J’ai analysé au minimum 48 clones par échantillon. L’analyse de la diversité Beta a montré que la structure des communautés des CMA était significativement différente selon les biotopes (racines et sols rhizosphèriques) et les concentrations de contaminants pétroliers. Mes résultats ont montré que l'identité de la plante et la concentration de contaminants ont fortement influencé la structure des communautés de CMA. J’ai aussi observé qu’en plus de l’effet des facteurs biotiques et abiotiques mentionnés ci-dessus, plusieurs OTUs de CMA sont corrélés soit positivement ou négativement entre eux et aussi avec différents types de polluants d'hydrocarbures pétroliers. Cette étude a permis de comprendre les facteurs qui influencent les changements des structures des communautés des CMA et pourrait nous aider à améliorer l’efficacité de la phytoremédiation avec des plantes indigènes poussant spontanément sur des sites hautement contaminés par des hydrocarbures pétroliers. / Industrial activities, energy production, transportation, and urbanization have led to serious environmental problems that have negative effects not only for the natural ecosystems, but also for the human health. Several methods of rehabilitation of contaminated sites such as conventional methods consisting on excavation, transportation and storage of contaminated soils in landfills (known as Dig and Dump), as well as other technologies that use physical and chemical treatments or incineration of polluted soil pollutants, have been largely utilized. However, these methods are very costly and not environmental-friendly because of greenhouse gas emission and destruction of habitats. Several green technologies have emerged in recent decades. Among these emerging technologies, phytoremediation is a promising method whose effectiveness becomes increasingly recognized worldwide. Phytoremediation uses plant and their associated microbes to degrade, uptake or sequestrate organic and inorganic pollutants. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are among microbes that live intimately with plant root where they form a symbiosis known as arbuscular mycorrhiza. The objective of my master project was to study the diversity and changes of community structure of AMF in roots and rhizospheric soils of three native plant species Eleocharis elliptica, Populus tremuloides and Persicaria maculosa growing in petroleum-contaminated sedimentation basins of a former petro-chemical plant. I used conventional PCR, cloning and sequencing approach targeting 18S rRNA gene to investigate AMF community structure. I analyzed at minimum 48 clones for each sample. Beta diversity analyses showed that AMF community structure was significantly different across biotopes (roots and rhizospheric soils) and different concentrations of petroleum hydrocarbon contamination. Our results showed that plant identity and concentrations of petroleum hydrocarbon contaminations strongly influenced the AMF community structure as well as the inter-specific relationship among AMF taxa. Moreover, with consideration of both biotic and abiotic factors, we found that several AMF OTUs showed positive and negative correlations between each other and also with petroleum hydrocarbon pollutants. My study brings us in-valuable information to apply AMF for the phytoremediation in the future.