L'établissement de toute symbiose repose sur un dialogue moléculaire hautement régulé entre les deux partenaires. Une approche par génétique inverse a été utilisée pour identifier des gènes fongiques jouant un rôle clé dans le dialogue moléculaire entre les partenaires de la symbiose ectomycorhizienne. La caractérisation phénotypique et moléculaire d'un mutant non-mycorhizien du champignon Hebeloma cylindrosporum a montré qu'il présente une insertion de l'ADN-T mutagène dans le promoteur de la subtilase HcSbt1. Le fait que ce mutant soit incapable de coloniser les racines de la plante hôte Pinus pinaster, indique que HcSbt1 joue un rôle crucial dans le dialogue moléculaire précoce entre les partenaires de la symbiose ectomycorhizienne. Lors de la formation des mycorhizes, HcSbt1 est réprimé dès le contact avec les racines, avant même la différenciation de toute structure symbiotique. La répression se maintient tant que dure la symbiose. Ceci suggère que HcSbt1 pourrait inhiber le processus symbiotique. Sa répression serait un prérequis à la formation des mycorhizes. L'analyse par Western Blot et séquençage du sécrétome du champignon a montré que HcSbt1 est exocellulaire. Elle pourrait inhiber l'établissement de la symbiose en dégradant/activant/inactivant des protéines exocellulaires de la plante ou/et du champignon. La comparaison des secrétomes de la souche sauvage et de la souche mutante a montré que HcSbt1 peut dégrader de petits peptides exocellulaires. Notre hypothèse est que cette subtilase inhibe l'établissement de la symbiose en dégradant des petits peptides exocellulaires qui seraient des effecteurs / The establishment of any symbiosis relies on a tightly regulated molecular dialogue between symbiotes. A reverse genetic approach was used to identify fungal genes playing a key role in the molecular dialogue between the partners of the ectomycorrhizal symbiosis. A non-mycorrhizal mutant of the fungus Hebeloma cylindrosporum has a single insertion of mutagenic T-DNA in the promoter of the subtilase HcSbt1. This mutant was unable to colonize Pinus pinaster roots, indicating that HcSbt1 plays a crucial role in the early molecular cross-talk between partners of the ectomycorrhizal symbiosis. During symbiotic interaction, HcSbt1 was repressed upon contact with the roots, even before the differentiation of any symbiotic structure. This repression was stable throughout the whole symbiotic process, suggesting that HcSbt1 could inhibit symbiotic structure differentiation. Subsequently, HcSbt1 repression would be a prerequisite for mycorrhiza differentiation. Western Blot analysis together with fungal secretome sequencing showed that HcSbt1 is extracellular. It could inhibit the symbiosis establishment by degrading / activating / inactivating extracellular proteins from plant and/or fungal origin. The comparison of wild-type and mutant secretomes showed that HcSbt1 could degrade small extracellular peptides. Based on this, we hypothesized that this subtilase could inhibit symbiosis establishment by degrading small extracellular peptides that would be effectors

Les champignons ont développé diverses interactions avec les végétaux. Ces interactions peuvent être bénéfiques pour la plante dans le cas des champignons établissant des symbioses mutualistes ou néfastes si le champignon est pathogène. Elles reposent sur des mécanismes moléculaires mal élucidés. Des études réalisées sur le champignon mutualiste Hebeloma cylindrosporum associé au pin Pinus pinaster ont permis de créer une collection de mutants affectés dans leur capacité à interagir avec les plantes et à former l’organe mixte de la symbiose, l’ectomycorhize. L’objectif de ma thèse a été d’étudier un mutant affecté dans le gène codant une alpha-tubuline Hctubα2. Les tubulines sont des protéines présentes chez tous les Eucaryotes et permettent la formation des microtubules, des éléments clés du cytosquelette. Chez les champignons, on trouve une ou deux alpha tubuline(s). H. cylindrosporum en possède deux. J’ai étudié l’expression de ces deux tubulines lors l’établissement de l’interaction avec les racines de l’hôte. Les résultats indiquent que ces deux gènes sont différentiellement exprimés lors de l’interaction. J’ai étudié au niveau protéomique l’impact de la mutation en comparant les protéomes intracellulaires des deux souches. On retrouve deux alpha-tubulines chez certains champignons phytopathogènes comme Botrytis cinerea. L’hypothèse de l’implication de l’alpha-tubuline 2 dans l’établissement de la pathogénie a été émise. J’ai donc construit des mutants de Botrytis cinerea dans lesquels ce gène a été inactivé. J’ai également tenté de localiser à l’aide de fusions traductionnelles chacune des alpha-tubulines chez le champignon mycorhizien et chez le pathogène / In all terrestrial ecosystems, plants live in close interaction with numerous fungi. The interaction has a negative or positive effect on host plant depending upon the pathogenic or symbiotic status of the fungus. The establishment of these interactions is based on a tightly regulated molecular dialog between symbiotic partners. Previous studies on the ectomycorrhizal fungi, Hebeloma cylindrosporum associated with maritime pine (Pinus pinaster), created a collection of mutants affected in their mycorrhizal abilitiy. The aim of my thesis was to characterize one of these mutants affected in a gene, Hctubα2, encoding an alpha tubulin. Tubulins are eukaryotic cytoskeletal proteins involved in microtubules formation. Fungi have one or two alpha-tubulin. For example, H.cylindrosporum has two alpha-tubulin. The site of mutagenic DNA insertion in fungal genome was characterized. I studied the expression of both alpha-tubulins during the establishement of mycorrhizal interaction. Results showed that the two genes are differentially expressed during the interaction with host plant. At proteomic level, I studied the impact of the mutation comparing the two strains using 2D gel electrophoresis and sequencing differentially accumulated spots. Pathogenic fungi also bear two alpha-tubulins, as Botrytis cinerea. The hypothesis of the involvement of the alpha-tubulin 2 in pathogenesis was investigated. I created Botrytis cinerea mutants deleted for this gene. I also created translational fusions in order to visualize both alpha-tubulins in Hebeloma cylindrosporum and in Botrytis cinerea

La symbiose mycorhizienne entre les champignons du sol et les racines de la plupart des plantes constitue une relation à bénéfice réciproque et joue un rôle majeur dans la productivité des écosystèmes. Les récentes avancées dans le domaine ont abouties à l'identification et à la caractérisation fonctionnelle de nombreux systèmes de transport du partenaire fongique. Le travail présenté s'inscrit dans le cadre de développement d'outils permettant la localisation de gènes d'intérêts du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum et de leur caractérisation fonctionnelle. Les systèmes de transport candidats ont été identifiés au sein d'une banque EST du champignon et semblent impliqués dans les échanges de phosphate (Pi) et de potassium (K+) entre Hebeloma et la plante hôte Pinus pinaster. Une stratégie de fusion transcriptionnelle utilisant l'EGFP comme gène rapporteur a été développée pour permettre la localisation de deux transporteurs de phosphate, HcPT1 et HcPT2, d'un transporteur de potassium, HcTrk1, et d'un canal potassique de type Shaker, HcSKC1, dans les hyphes en culture pure et au sein de l'ectomycorhize. Les Agrotransformations de la souche h7 d'Hebeloma avec des vecteurs de fusion transcriptionnelle ont montré une expression mycélienne de l'EGFP sous contrôle des promoteurs de nos gènes d'intérêts. Sous contrôle des différents promoteurs, l'expression de l'EGFP apparait comme étant site-spécifique dans les hyphes différenciés des ectomycorhizes. Le promoteur du transporteur de Pi HcPT1 induit l'expression du gène rapporteur au niveau des hyphes extramatriciels et du manteau mycélien entourant la racine. De plus, son expression est stimulée en cas de carence en Pi, indiquant ainsi l'implication de ce transporteur dans la récupération du Pi du sol lorsque celui-ci devient limitant. Pour ce qui est du promoteur de HcTrk1, il permet l'expression de l'EGFP dans les hyphes extraracinaires et dans le manteau, tandis que celui de HcSKC1 permet son expression au niveau du réseau de Hartig et du manteau. Ceci indique, qu'ils semblent respectivement participer à la récupération du K+ du sol et à son excrétion vers la plante. Pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle de nos systèmes de transport candidats, un second canal potassique, HcSKC2, a été isolé à partir de la souche h1 et exprimé dans des ovocytes de xénope. Tout comme HcSKC1, HcSKC2 n'a pas été actif en système d'expression hétérologue. Cependant, des fusions traductionnelles avec l'EGFP ont montré que la protéine HcSKC2 est bien dirigée à la membrane. En perspective, la caractérisation fonctionnelle de ce canal issue de la souche h7 récemment séquencée sera tentée. / The mycorrhizal symbiosis made it possible the first plants to conquest emerged lands and is a major biological phenomenon of terrestrial ecosystems. The fungal partner efficiently takes up nutritive ions from the soil solution and transfers them to the host plants in exchange for photosynthetates. However, despite the importance of this symbiosis on ecosystem productivity, our knowledge about molecular processes controlling this symbiotic interaction and solute transports at the membrane level is very scarce. The objective of the project aims at dissecting part of the molecular mechanisms required for a functional ectomycorrhizal symbiosis associated with most of the woody species from boreal and temperate forests, by focusing on K+ exchanges occurring through the continuum soil-hyphae-plant. The general aim of the project is to gain new insights into the molecular mechanisms responsible for the polarization and differentiation of the plasma membrane between the site of nutrient uptake and the site of efflux into the apoplastic space in the ectomycorrhizal root. The team "Canaux Ioniques – Ion channels" has obtained an EST library of the fungus Hebeloma cylindrosporum (1) and has identified and characterized a potassium transporter of the Trk family (2). Also a Shaker-type potassium cannel was identified within the EST library but it is not yet functionally characterized. A second transcript was found from this channel with a longer N-terminus compared to the first transcript isolated in the beginning. Also, a sugar transporter was identified among the ESTs that could participate in the absorption of sugars, coming from the host plant, by the fungus. The objective of the PhD thesis is the functional characterization of these fungal transport systems as well as their localization. The functional characterization of these candidate genes will be accomplished using heterologous expression systems (Xenopus oocytes, COS cells, complementation of yeast mutants) and by the means of electrophysiology. Localization of genes within the fungus being in symbiotic interaction with the host plant, the tree Pinus pinaster, will help to better understand the role of the transport systems. The differentiation of the fungus, when establishing symbiosis, into the specialized interfaces soil-fungus and fungal cell- host plant cell within the ectomycorrhiza (Hartig net) is probably accompanied by a specific expression of transport proteins and ion channels

La symbiose ectomycorhizienne se définie comme une association mutualiste entre les racines des plantes ligneuses et le mycélium de champignons du sol. Elle est majoritaire dans les écosystèmes forestiers de l'hémisphère nord et permet l'amélioration de la nutrition hydrominérale des plantes ligneuses, notamment lorsque la disponibilité en ressources se fait rare. Des données transcriptomiques et génomiques du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum ont permis d'identifier différents gènes codant pour des protéines capables de transporter des nutriments. L'implication éventuelle de ces systèmes de transport dans la nutrition potassique et phosphatée ectomycorhize-dépendante de la plante hôte Pinus pinaster reste à évaluer. Dans cette étude, deux gènes candidats codant pour des systèmes de transport de potassium (K+), HcTrk1 et HcSKC, et deux autres pour des transporteurs de phosphate inorganique (Pi), HcPT1.1 et HcPT2, ont été analysés. Des approches permettant la localisation dans l'ectomycorhize des transcrits (hybridation in situ) et des protéines (fusion traductionnelle) de ces candidats ont été générés. Ces différents outils ont permis de montrer que le transporteur HcTrk1 et le canal HcSKC étaient respectivement localisés dans l'ectomycorhize au niveau des sites de prélèvement et de relargage du K+. D'autre part, des lignées transgéniques d'H. cylindrosporum sur- et/ou sous-exprimant ces gènes ont été produites afin de voir si la nutrition végétale en K+ et en Pi était impactée. Ainsi, l'utilisation en mycorhization de lignées surexprimant HcTrk1 et sous-exprimant HcSKC ont montré une diminution de la nutrition potassique et de l'homéostasie du phosphore de la plante hôte. Les mêmes types d'approches ont été utilisés avec les transporteurs de Pi HcPT1.1 et HcPT2. En utilisant des lignées transgéniques, il a ainsi pu être montré que la surexpression de HcPT1.1 en condition carencée décrite précédemment était liée à l'activité de son promoteur. Quant au transporteur HcPT2, des analyses préliminaires de localisation suggèrent qu'il pourrait être impliqué dans le prélèvement de Pi du sol et dans son relargage au niveau du réseau de Hartig. Des études complémentaires restent cependant à mener. Enfin, cinq autres systèmes de transport de K+ et trois de phosphate ont été récemment identifiés à partir du génome d'H. cylindrosporum, ouvrant la voie à la dissection fine des mécanismes moléculaires régissant la nutrition potassique et phosphatée ectomycorhize dépendante de P. pinaster. / Ectomycorrhizal symbiosis is defined as a mutual association between the roots of woody plants and the mycelium of soil fungi. This symbiosis is widespread in northern forests and plays a major role in nutrient and water uptake of woody plants, especially when resources become scarce. Transcriptomic and genomic data of the ectomycorrhizal fungus Hebeloma cylindrosporum allowed the identification of several genes coding for nutrient transport proteins. Their putative involvement in ectomycorrhiza-dependent potassium and phosphate nutrition of the host plant Pinus pinaster needs to be assessed. In this study, two candidate genes coding for potassium (K+) transport systems, HcTrk1 and HcSKC, and two other genes coding for inorganic phosphate (Pi) transporters, HcPT1.1 and HcPT2, were analyzed. Molecular approaches allowing the localization of transcripts (in situ hybridization) and proteins (translational fusion) of these candidates in ectomycorrhiza were obtained. These tools allowed us to show that the HcTrk1 transporter and the HcSKC channel were localized in K+ uptake and release sites of the ectomycorrhiza, respectively. In order to know whether these proteins play a role in plant K+ and Pi nutrition, H. cylindrosporum transgenic lines with up- and/or down-regulated expression of candidate genes were produced. In mycorrhizal assays, the use of fungal strains with up- or down- regulated expression of HcTrk1 and HcSKC, respectively, affects the K+ nutrition and phosphorus homeostasis of the host plant. The same approaches were used for HcPT1.1 and HcPT2 Pi transporters. Therefore, using transgenic strategies, we demonstrated that the previously shown up-regulation of HcPT1.1 expression under Pi shortage is related to its promoter activity. Concerning HcPT2, preliminary localization analysis suggested that this transporter might be involved in Pi uptake from soil and in release in the Hartig net. However, complementary studies are needed. Five and three novel K+ and Pi transport systems, respectively, were identified from the recent genome accession of H. cylindrosporum, opening the way to a fine dissection of molecular mechanisms controlling the ectomycorrhiza-dependent K+ and phosphate nutrition of Pinus pinaster.

La prédiction de l'activité des phosphatases fongiques dans l'amélioration de la nutrition phosphatée doit prendre en compte les facteurs qui influencent leur fonctionnement dans les sols. L'objectif de cette thèse a été d'étudier divers facteurs qui pouvaient influencer l'efficacité des phosphatases de champignons ectomycorhiziens dans les sols. L'adsorption et l'activité à l'état adsorbé des phosphatases de Suillus collinitus et de Hebeloma cylindrosporum ont été étudiées avec plusieurs fractions de différents sols tropicaux. La persistance de l'activité de ces enzymes immobilisées sur les sols a également été étudiée. Ces phosphatases ont montré une diversité d'affinité avec les colloïdes des sols, liée surtout à leur origine et leurs caractéristiques. En outre, aucune relation n'a été établie entre l'adsorption et l'activité catalytique résultante, car il n'y avait généralement pas de perte d'activité à l'état adsorbé. L'une des enzymes qui à montré une dégradation rapide en solution suivant le temps d'incubation, a été protégée par les sols ferrallitiques mais pas par les vertisols. Des essais de purification et de caractérisation ont été faits sur ces échantillons de phosphatases fongiques. Les fractions de phosphatases de S. collinitus purifiées et retenues sur une colonne hydrophobe de chromatographie ont montré une activité en contact avec des argiles fortement supérieure à celle en solution. L'hypothèse d'une dimérisation produite à la surface des argiles a été avancée pour expliquer l'amplification inattendue d'activité catalytique à l'état adsorbé des fractions purifiées / The role of catalytic activity of fungal phosphatases in the improvement of the phosphorus nutrition cannot be reliably predicted without taking into account the factors which influence their behaviour in the soil. The objective of this thesis was to study various factors which could influence the effectiveness of ectomycorrhizal fungal phosphatases in soils. Adsorption and the activity in the adsorbed state of phosphatases produced by Suillus collinitus and Hebeloma cylindrosporum were studied in contact with several fractions of various tropical soils. The persistence of the activity of these enzymes immobilized on the soils was also studied. These phosphatases showed a diversity of affinity for soil colloids, due to their origin and their characteristics. Moreover, no relation was found between adsorption and the resulting catalytic activity; there was generally no loss of activity in an adsorbed state. One of the enzymes which underwent rapid degradation in solution was protected by the presence of ferrallitic soils but not by the vertisols. These fungic phosphatase samples were purified and partially characterized. The fractions of S. collinitus phosphatases retained on hydrophobic chromatography column showed enhanced activity in contact with mineral clays with respect to solution. The hypothesis of dimeerisation on the clay surfaces was advanced to explain the unexpected enhancement of catalytic activity in an adsorbed state of the purified fractions.

La symbiose ectomycorhizienne, répandue dans les forêts tempérées et boréales, se base sur des échanges nutritionnels entre la plante hôte et des champignons du sol. Ce mutualisme améliore la nutrition minérale et en eau de plantes ligneuses à travers des mécanismes encore méconnus. Ce manuscrit de thèse présente l’ensemble des systèmes de transport membranaire du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum identifié à partir du génome séquencé, avec un accent sur les gènes dont l’expression est induite en symbiose avec son hôte naturel, le pin maritime (Pinus pinaster). Ces données aideront à focaliser les futures recherches sur les gènes qui sont induits par la symbiose. Le champignon H. cylindrosporum améliore la nutrition potassique de son hôte en situation de carence. Cette étude est axée sur trois canaux ioniques qui peuvent être impliqués dans le transfert de K+ vers la plante. Ces canaux appartiennent à la famille TOK (Tandem-pore Outward-rectifying K+), spécifique de champignons et ont été caractérisés par plusieurs approches expérimentales. Des analyses in silico ont déterminé que ces trois canaux appartiennent à deux sous-familles et ont été nommés HcTOK1, HcTOK2.1 et HcTOK2.2. Leurs propriétés fonctionnelles ont été caractérisées par expression hétérologue pour une analyse en voltage-clamp à deux électrodes et complémentation de levures. La localisation a été étudiée par hybridation in situ en mycorhizes et par fusions gène-eGFP exprimés chez la levure et chez H. cylindrosporum. Le rôle physiologique des canaux HcTOK a été testé en culture pure et en symbiose avec P. pinaster grâces à des lignées transgéniques surexprimant ces gènes. En plus, les effets de la mycorhization par H. cylindrosporum et la nutrition potassique ont été testés chez P. pinaster cultivé en conditions de stress salin. Dans un premier temps, la tolérance du champignon au stress salin a été vérifiée en culture pure, ainsi que l’élément toxique de ce stress. Ensuite, le champignon a été cultivé en deux conditions de nutrition potassique et quatre de salinité pour connaître son homéostasie du K+ et analyser l’expression de ses systèmes de transport. Finalement, des plantules de P. pinaster ont été cultivées inoculées ou non en deux conditions de K+ et quatre de stress salin. En résumé, l’analyse de trois canaux HcTOK ont permis de démontrer les spécificités pour les sous-familles TOK1 et TOK2 et ont suggéré que HcTOK2.2 est probablement un élément clé pour le transfert du K+ via la plante en mycorhize. H. cylindrosporum semble jouer un rôle dans la tolérance à la salinité du pin maritime en diminuant le transfert du Na+ vers la plante et améliorant la nutrition potassique. / The ectomycorrhizal symbiosis, widespread in temperate and boreal ecosystems, is based in nutritional exchanges between the host plant and soil-borne fungi. This mutualism improves plant mineral and water nutrition of woody plants through mechanisms that are still largely unknown. This manuscript presents the whole set of membrane transport systems of the ectomycorrhizal fungus Hebeloma cylindrosporum identified from the sequenced genome, with an emphasis on the genes that are up-regulated in symbiosis with its natural host, the maritime pine (Pinus pinaster). These data will help to focalize future research on symbiosis-induced genes. The fungus H. cylindrosporum enhances the potassium (K+) nutrition of P. pinaster under starvation. This study has focused on three ion channels that could transfer the K+ to the plant. These channels belong to the fungal-specific TOK (Tandem-pore Outward-rectifying K+) family and have been characterized using several approaches. In silico analyses have positioned them in two subfamilies, giving them the names HcTOK1, HcTOK2.1 and HcTOK2.2. Their functional activity has been characterized by heterologous expression for two-electrode voltage-clamp measurements and yeast complementation. Localization has been studied by in situ hybridization in mycorrhiza and by expression of gene-eGFP constructs in yeast and H. cylindrosporum. The physiological role of these channels has been tested in pure culture and symbiosis with transgenic fungal lines overexpressing the HcTOK channels. Furthermore, the effects of H. cylindrosporum and K+ nutrition have been tested in P. pinaster seedlings subjected to salt stress. First, the tolerance to salinity of the fungus was analysed in pure culture with different compounds to identify the most toxic component. Second, the fungus was cultured in different NaCl and K+ conditions to know whether it kept the homeostasis and to check the expression of K+ transport systems. Finally, P. pinaster seedlings were cultured inoculated or not in two different K+ nutrition and four salinity conditions. Altogether, analysis of the three HcTOK channels revealed specificities of the TOK1- and TOK2-type and suggested that HcTOK2.2 might be a main player for the K+ transfer from the fungus towards the plant. H. cylindrosporum seems to play a role in the tolerance to salt stress of the maritime pine by reducing the Na+ transfer to the plant and improving K+ nutrition.