Le blé (genre Tritucum aestivum, famille des Poaceae) est une céréale d’intérêtagronomique très important. Certaines variétés très anciennes sont mise de côté pour desvariétés plus récentes souvent sélectionnées pour répondre à une culture intensiveconsommatrice de produits phytosanitaires. L’agriculture biologique, système de productionsupposant une réduction des intrants chimiques de synthèse afin de préserver l’écosystème,peut se définir comme une pratique où l’emploi d’engrais synthétiques, de pesticideschimiques et d’organismes génétiquement modifiés est prohibé.Cette pratique gagne de plus en plus en popularité et la superficie des terres cultivéesde cette manière a crû de 60 % entre 2000 et 2004, sur la planète. Les contraintes associées àla production de céréales biologiques comprennent la baisse de rendement attribuable auxcarences d’éléments nutritifs dans le sol et la concurrence des mauvaises herbes. Au cours des90 dernières années, les efforts internationaux d’amélioration du blé se sont concentrés sur lahausse du rendement et les paramètres de qualité.La mise en place d’une base de données des blé basées sur des critèresmorphologiques, taxonomiques et écologiques et l'introduction des mycorhizes à arbuscules(MA), connues pour aider à la sélection et induire une augmentation de rendement et dequalité de la production, dans l'optique de produire plus dans une agriculture respectueuse del’environnement pourrait constituer une partie intégrante d'une stratégie appropriée.Cependant, les effets mycorhiziens sur les rendement et la qualité de la production ne sont pastoujours prévisibles et les mécanismes qui régulent ces paramètres qualitatifs des mycorhizessont largement inconnus.Le criblage au champ de 53 variétés de blés anciens a montré des différences dans leuraptitude à développer des mycorhizes avec des champignons indigènes. Des plantesanalysées, seul cinq variétés étaient toutes mycorhizées au Tallage, alors que toutes l’étaientau stade Epiaison. Au stade Maturation des épis, dix-neuf variétés montraient une diminutionde la mycorhization.L’inoculation avec un inoculum de laboratoire lors de l’expérimentation en serre dansdes pots contenant d’une part leur terre habituelle de culture et de l’autre la terre d’Epoisses4montre, qu’ avec cet inoculum, toutes les variétés de blé se mycorhizent. Pour les variétéstestées, les variétés récentes utilisées en agriculture biologique mycorhizent mieux que lesanciennes, mais l’effet mycorhizien sur le rendement est observé uniquement chez desvariétés anciennes de blé. Démontrant ainsi un effet variétal sur le développement etl’expression de la symbiose. Les bénéfices de la symbiose sont plus accentués au niveau desphénomènes qualitatifs à savoir la viabilité des grains.L’apport d’un inoculum commercial lors d’expérimentation en serre dans des potcontenant le même sol, a modifié ces proportions. Cet inoculum a également permisl’amélioration du développement des blés et la qualité des graines de certaines variétésdémontrant à la fois l’importance du génome de la plante dans l’expression bénéfique de lasymbiose et de l’impossibilité des champignons mycorhizogènes indigènes à assurer ledéveloppement optimal de la symbiose. Au champ, l’effet variétal a été confirmé suite àl’apport d’un inoculum commercial ou, à l’exception d’une variété, l’inoculation a permis uneamélioration du rendement, particulièrement sensible chez la variété qui a été la plusproductive, soulignant l’intérêt qu’il y aurait à développer un projet de croisement pouraugmenter la réponse des blés aux mycorhizes. / Wheat (kind Tritucum aestivum, Poaceae family) is a very important cereal ofagronomic interest. Some very ancient varieties are set aside for recent varieties often selected to meet a consumer intensive cultivation of pesticides. Organic farming production system assuming a reduction of synthetic chemical inputs in order to preserve the ecosystem can be defined as a practice where the use of synthetic fertilizers, chemical pesticides and genetically modified organisms is prohibited. This practice is gaining more and more popularity and the amount of land cultivated in this way has increased by 60% between 2000 and 2004. Constraints associated with the production of organic grains include lower yields due to nutrient deficiencies in the soil and weed competition. During the past 90 years, the international efforts in wheat breeding have focused on increasing yield and quality parameters The establishment of a wheat database based on morphological, taxonomic and ecological criteria and the introduction of arbuscular mycorrhizal (AM), known to help in the selection and induce an increase in yield and quality of production with a perspective to increase production in an agriculture that respects the environment, could be an integral part of an appropriate strategy. However, mycorrhizal effects on yield and quality of production are not always predictable and the mechanisms that regulate these qualitative parameters are largely unknown. Field screening of 53 ancient wheat varieties showed differences in their ability to interact with endogenous mycorrhizal fungi. Among the analysed plants, only five varieties were mycorrhized for all samples at tillering. All samples were mycorrhized at the heading stage for all varieties. Nineteen showed a decrease in the number of mycorrhized samples at the ears maturity. Inoculation with a laboratory inoculum during a greenhouse experiments in pots, containing either the wheat field soil or Ò EpoissesÓ soil, showed that all wheat varieties form mycorrhizal symbiosis. Between varieties tested, recent wheat varieties used in organic farming were better in forming symbiosis than the old, but the mycorrhizal effect on plant yield is seen only for old varieties. Demonstrating a variety effect on the development and 6 expression of symbiosis. The benefits of mycorrhizal symbiosis are more pronounced for the qualitative phenomena as the seed viability. The addition of a commercial inoculum in a similar greenhouse experiment modified these observations. This inoculum helped to improve wheat development but also the seed quality of some varieties, demonstrating both the importance of the plant genome in the beneficial expression of the symbiosis and the impossibility of indigenous mycorrhizal fungi to ensure optimal development of symbiosis. The previously observed field varietal effect was confirmed even after adding an exogenous inoculum as, excepted for one variety, inoculation has improved yield. This was especially noticeable in the variety that was most productive, stressing the importance to develop crossing strategies to increase the wheat response to mycorrhiza.

L’association mycorhizienne à arbuscules (AM) est le résultat d’une interaction compatible entre les génomes des deux partenaires symbiotiques. Dans ce contexte, le but de mes recherches a été de mieux caractériser le rôle des gènes de pois liés aux stades tardifs de la symbiose, PsSym36, PsSym33 and PsSym40, dans le fonctionnement de la symbiose MA (i) en étudiant l’effet des mutations de ces trois gènes sur l’expression des gènes de la plante et du champignon, et (ii) en créant les conditions pour positionner deux de ces gènes, PsSym36 and PsSym40, sur la carte génétique afin d’envisager leur clonage futur. L’expression d’un groupe de dix gènes fongiques et de huit gènes de plante, déjà décrits pour être activés durant le développement de la mycorhize, a été comparée dans les racines de pois inoculées avec G. intraradices chez les plantes de génotypes sauvages, ou les mutants Pssym36, Pssym33 et Pssym40. L’expression de la plupart des gènes fongiques a été inhibée dans les racines du mutant Pssym36 où la formation des arbuscules est avortée, tandis que l’expression de plusieurs d’entre eux a été activée lorsqu’il existe un développement plus rapide du champignon dans les racines du mutant Pssym40. Des microdisséquats obtenus à partir de racines mycorhizées du mutant PsSym40 confirment l’expression préférentielle de trois gènes de G. intraradices (SOD, DESAT et PEPISOM) dans les cellules contenant les arbuscules. L’inactivation du gène PsSym36 provoque également une inhibition des gènes de plante alors que la mutation des gènes PsSym33 and PsSym40 affecte l’expression des gènes de plante plutôt de façon temporelle. Les résultats indiquent ainsi une implication des gènes SYM de pois dans la modulation des interactions moléculaires entre la plante et le champignon impliquées au niveau de la signalisation, des échanges nutritifs ou de la régulation des réponses au stress durant la formation et/ou le fonctionnement de la symbiose AM. Les conditions pour la localisation des gènes PsSym36 and PsSym40 sur la carte génétique du pois ont été développées pour leur clonage basé sur la cartographie. En utilisant les marqueurs moléculaires obtenus, il a été possible de conclure que la localisation du gène PsSym40 réside vraisemblablement à l’extérieur des groupes de liaison I, II, III ou V de la carte génétique du pois. / The arbuscular mycorrhizal (AM) association results from a successful interaction between the genomes of the two symbiotic partners. In this context, the aim of my research was to better characterize the role of the late stage symbiosis-related pea genes PsSym36, PsSym33 and PsSym40 in the functional AM (i) by investigating the effect of mutations in the three genes on fungal and plant gene responses and (ii) by creating conditions for the localization of two of the genes, PsSym36 and PsSym40, on the pea genetic map for future map-based cloning. The expression of a subset of ten fungal and eight plant genes,previously reported to be activated during mycorrhiza development, was compared in Glomus intraradices-inoculated roots of wild type and Pssym36, Pssym33 and Pssym40 mutant pea plants. Most of the fungal genes were down-regulated in roots of the Pssym36 mutant where arbuscule formation is defective, and several were upregulated with more rapid fungal development in roots of the Pssym40 mutant. Microdissection of mycorrhizal PsSym40 roots corroborated preferential expression of the three G. intraradices genes SOD, DESAT and PEPISOM in arbuscule-containing cells. Inactivation of PsSym36 also resulted in down regulation of plant genes whilst mutation of the PsSym33 and PsSym40 genes affected plant gene responses in a more time-dependent way. Results thus indicate an implication of the investigated pea SYM genes in the modulation of plant and fungal molecular interactions linked to signaling, nutrient exchange or stress response regulation during AM symbiosis formation and functioning. Conditions for localization of the PsSym36 and PsSym40 genes on the pea genetic map were developed for their future map-based cloning. Based on the molecular markers obtained, it was possible to conclude that localization of the PsSym40 gene most likely resides outside the linkage groups I, II, III or V of the genetic map of pea. / Формирование арбускулярной микоризы (АМ) является результатом успешного взаимодействия между геномами двух симбиотических партнёров. Целью моего исследования являлось изучение роли поздних симбиотических генов гороха PsSym36, PsSym33 и PsSym40 в формировании функционального АМ симбиоза. Для этого было проведено исследование эффекта мутаций в генах PsSym36, PsSym33 и PsSym40 на экспрессию грибных и растительных генов, предположительно (по литературным данным) вовлечённых в процессы формирования АМ, а так же проведена работа по локализации генов PsSym36 и PsSym40 на генетической карте гороха для последующего более точного картирования и позиционного клонирования данных генов. Экспрессия десяти грибных и восьми растительных генов была определена в корнях растений дикого типа и PsSym36, PsSym33 и PsSym40 мутантов, инокулированных G. intraradices. В корнях PsSym36 мутанта, имеющего дефект развития арбускул, большая часть грибных генов была супрессирована, в то время как в корнях PsSym40 мутанта, для которого характерна более быстрая по сравнению с диким типом микоризация, был отмечен более высокий уровень экспрессии грибных генов. Использование метода микродиссекций позволило выделить клетки, содержащие арбускулы, из микоризованных корней мутанта PsSym40 и подтвердить, что гены G. intraradices SOD, DESAT и PEPISOM преимущественно экспрессируются в клетках, содержащих арбускулы. Мутация в гене PsSym36 также привела к подавлению экспрессии большинства вовлечённых в анализ растительных генов, тогда как мутации в генах PsSym33 и PsSym40 оказали влияние на ксперессию растительных генов в меньшей степени. Полученные результаты свидетельствуют о роли исследуемых SYM генов гороха в контролировании растительно-грибных молекулярных взаимодействий, связанных с сигналингом, обменом питательными веществами и стрессовыми реакциями в процессе формирования и функционирования АМ симбиоза. Проведённое генетическое картирование не привело к локализации генов PsSym36 и PsSym40 на генетической карте гороха. Однако разработка и использование молекулярных маркеров для картирования позволили исключить локализацию гена PsSym40 в I, II, III и V группах сцепления с высокой долей вероятности.

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome. / Background: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root-inhabiting fungi whose hyphal networks form symbioses with plants. Previous studies have revealed extremely high levels of genetic variation for some loci, which has lead to the proposition that AMF contain thousands of genetically divergent nuclei that share the same cytoplasm, i.e. they are heterokaryotic coenocytes. No reproductive stage has as yet been observed in AMF, yet evidence is accumulating that the observed high levels of diversity could be maintained by the exchange of nuclei between hyphal systems and (meiotic) recombination. AMF spores contain varying fractions of this heterogeneous population of nuclei, which migrate directly from the parent mycelium. To our knowledge, AMF are the only organisms that never pass through a single nucleus stage in their life cycle, which allows nuclei to diverge into genetically distinct nuclei within the same cytoplasm. Thus, estimating genetic diversity in arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) is a major challenge, not only for ecologists in the field but also for molecular biologists in the lab. It is unclear what the extent of polymorphism is in AMF genomes. The present thesis investigates different aspects of this peculiar genome organization. Results The second chapter in this thesis confirms the extensive intra-isolate polymorphism that was previously observed for large subunit rDNA (in G. irregulare DAOM-197198) and the polymerase1-like gene, PLS (in G. etunicatum), and shows that this polymorphism is transcribed. In the third chapter I report the presence of a bottleneck of genetic variation at sporulation for the PLS locus, in G. etunicatum. Analyses in the fourth chapter, based on a conservative network-based clustering approach and five novel single copy genomic markers, reveal extensive genome-wide patterns of diversity in two different AMF species (G. irregulare and G. diaphanum). Conclusions The results from this thesis provide additional evidence in favor of genome differentiation between nuclei in the same isolate for AMF. Thus, at least three members of the Glomus genus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum appear to be organisms whose genome organization cannot be described by a single genome sequence: genetically differentiated nuclei in AMF form a pangenome.

Contexte: Les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) établissent des relations symbiotiques avec la plupart des plantes grâce à leurs réseaux d’hyphes qui s’associent avec les racines de leurs hôtes. De précédentes études ont révélé des niveaux de variation génétique extrêmes pour des loci spécifiques permettant de supposer que les AMF peuvent contenir des milliers de noyaux génétiquement divergents dans un même cytoplasme. Si aucun processus de reproduction sexuée n’a jusqu’ici été observé chez ces mycorhizes, on constate cependant que des niveaux élevés de variation génétique peuvent être maintenus à la fois par l’échange de noyaux entre hyphes et par des processus fréquents de recombinaison entre noyaux. Les AMF se propagent par l’intermédiaire de spores qui contiennent chacune un échantillon d’une population initiale de noyaux hétérogènes, directement hérités du mycélium parent. À notre connaissance les AMF sont les seuls organismes qui ne passent jamais par un stade mononucléaire, ce qui permet aux noyaux de diverger génétiquement dans un même cytoplasme. Ces aspects singuliers de la biologie des AMF rendent l’estimation de leur diversité génétique problématique. Ceci constitue un défi majeur pour les écologistes sur le terrain mais également pour les biologistes moléculaires dans leur laboratoire. Au-delà même des problématiques de diversité spécifique, l’amplitude du polymorphisme entre noyaux mycorhiziens est mal connue. Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse explore donc les différents aspects de l’architecture génomique singulière des AMF. Résultats L’ampleur du polymorphisme intra-isolat a été déjà observée pour la grande sous-unité d’ARN ribosomal de l’isolat Glomus irregulare DAOM-197198 (précédemment identifié comme G. intraradices) et pour le gène de la polymerase1-like (PLS) de Glomus etunicatum isolat NPI. Dans un premier temps, nous avons pu confirmer ces résultats et nous avons également pu constater que ces variations étaient transcrites. Nous avons ensuite pu mettre en évidence la présence d’un goulot d’étranglement génétique au moment de la sporulation pour le locus PLS chez l’espèce G. etunicatum illustrant les importants effets d’échantillonnage qui se produisaient entre chaque génération de spore. Enfin, nous avons estimé la différentiation génétique des AMF en utilisant à la fois les réseaux de gènes appliqués aux données de séquençage haut-débit ainsi que cinq nouveaux marqueurs génomiques en copie unique. Ces analyses révèlent que la différenciation génomique est présente de manière systématique dans deux espèces (G. irregulare et G. diaphanum). Conclusions Les résultats de cette thèse fournissent des preuves supplémentaires en faveur du scénario d’une différenciation génomique entre noyaux au sein du même isolat mycorhizien. Ainsi, au moins trois membres du genre Glomus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum, apparaissent comme des organismes dont l’organisation des génomes ne peut pas être décrit d’après un modèle Mendélien strict, ce qui corrobore l’hypothèse que les noyaux mycorhiziens génétiquement différenciés forment un pangenome. / Background: Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root-inhabiting fungi whose hyphal networks form symbioses with plants. Previous studies have revealed extremely high levels of genetic variation for some loci, which has lead to the proposition that AMF contain thousands of genetically divergent nuclei that share the same cytoplasm, i.e. they are heterokaryotic coenocytes. No reproductive stage has as yet been observed in AMF, yet evidence is accumulating that the observed high levels of diversity could be maintained by the exchange of nuclei between hyphal systems and (meiotic) recombination. AMF spores contain varying fractions of this heterogeneous population of nuclei, which migrate directly from the parent mycelium. To our knowledge, AMF are the only organisms that never pass through a single nucleus stage in their life cycle, which allows nuclei to diverge into genetically distinct nuclei within the same cytoplasm. Thus, estimating genetic diversity in arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) is a major challenge, not only for ecologists in the field but also for molecular biologists in the lab. It is unclear what the extent of polymorphism is in AMF genomes. The present thesis investigates different aspects of this peculiar genome organization. Results The second chapter in this thesis confirms the extensive intra-isolate polymorphism that was previously observed for large subunit rDNA (in G. irregulare DAOM-197198) and the polymerase1-like gene, PLS (in G. etunicatum), and shows that this polymorphism is transcribed. In the third chapter I report the presence of a bottleneck of genetic variation at sporulation for the PLS locus, in G. etunicatum. Analyses in the fourth chapter, based on a conservative network-based clustering approach and five novel single copy genomic markers, reveal extensive genome-wide patterns of diversity in two different AMF species (G. irregulare and G. diaphanum). Conclusions The results from this thesis provide additional evidence in favor of genome differentiation between nuclei in the same isolate for AMF. Thus, at least three members of the Glomus genus, G. irregulare, G. diaphanum and G. etunicatum appear to be organisms whose genome organization cannot be described by a single genome sequence: genetically differentiated nuclei in AMF form a pangenome.