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

Les trichothécènes de Fusarium appartiennent au groupe des sesquiterpènes qui sont des inhibiteurs la synthèse des protéines des eucaryotes. Les trichothécènes causent d’une part de sérieux problèmes de santé aux humains et aux animaux qui ont consommé des aliments infectés par le champignon et de l’autre part, elles sont des facteurs importants de la virulence chez plantes. Dans cette étude, nous avons isolé et caractérisé seize isolats de Fusarium de la pomme de terre infectée naturellement dans un champs. Les tests de pathogénicité ont été réalisés pour évaluer la virulence des isolats sur la pomme de terre ainsi que leur capacité à produire des trichothécènes. Nous avons choisi F. sambucinum souche T5 comme un modèle pour cette étude parce qu’il était le plus agressif sur la pomme de terre en serre en induisant un flétrissement rapide, un jaunissement suivi de la mort des plantes. Cette souche produit le 4,15-diacétoxyscirpénol (4,15-DAS) lorsqu’elle est cultivée en milieu liquide. Nous avons amplifié et caractérisé cinq gènes de biosynthèse trichothécènes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, et TRI101) impliqués dans la production du 4,15-DAS. La comparaison des séquences avec les bases de données a montré 98% et 97% d'identité de séquence avec les gènes de la biosynthèse des trichothécènes chez F. sporotrichioides et Gibberella zeae, respectivement. Nous avons confrenté F. sambucinum avec le champignon mycorhizien à arbuscule Glomus irregulare en culture in vitro. Les racines de carotte et F. sambucinum seul, ont été utilisés comme témoins. Nous avons observé que la croissance de F. sambucinum a été significativement réduite avec la présence de G. irregulare par rapport aux témoins. Nous avons remarqué que l'inhibition de la croissance F. sambucinum a été associée avec des changements morphologiques, qui ont été observés lorsque les hyphes de G. irregulare ont atteint le mycélium de F. sambucinum. Ceci suggère que G. irregulare pourrait produire des composés qui inhibent la croissance de F. sambucinum. Nous avons étudié les patrons d’expression des gènes de biosynthèse de trichothécènes de F. sambucinum en présence ou non de G. irregulare, en utilisant le PCR en temps-réel. Nous avons observé que TRI5 et TRI6 étaient sur-exprimés, tandis que TRI4, TRI13 et TRI101 étaient en sous-exprimés en présence de G. irregulare. Des analyses par chromatographie en phase-gazeuse (GC-MS) montrent clairement que la présence de G. irregulare réduit significativement la production des trichothécènes par F. sambucinum. Le dosage du 4,15-DAS a été réduit à 39 μg/ml milieu GYEP par G. irregulare, comparativement à 144 μg/ml milieu GYEP quand F. sambucinum est cultivé sans G. irregulare. Nous avons testé la capacité de G. irregulare à induire la défense des plants de pomme de terre contre l'infection de F. sambucinum. Des essais en chambre de croissance montrent que G. irregulare réduit significativement l’incidence de la maladie causée par F. sambucinum. Nous avons aussi observé que G. irregulare augmente la biomasse des racines, des feuilles et des tubercules. En utilisant le PCR en temps-réel, nous avons étudié les niveaux d’expression des gènes impliqué dans la défense des plants de pommes de terre tels que : chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (Glub), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protéin (OSM-8e) et pathogenèses-related protein (PR-1). Nous avons observé que G. irregulare a induit une sur-expression de tous ces gènes dans les racines après 72 heures de l'infection avec F. sambucinum. Nous avons également trové que la baisse provoquée par F. sambucinum des gènes Glub et CEVI16 dans les feuilles pourrait etre bloquée par le traitement AMF. Ceci montre que l’inoculation avec G. irregulare constitut un bio-inducteur systémique même dans les parties non infectées par F. sambucinum. En conclusion, cette étude apporte de nouvelles connaissances importantes sur les interactions entre les plants et les microbes, d’une part sur les effets directs des champignons mycorhiziens sur l’inhibition de la croissance et la diminution de la production des mycotoxines chez Fusarium et d’autre part, l’atténuation de la sévérité de la maladie dans des plantes par stimulation leur défense. Les données présentées ouvrent de nouvelles perspectives de bio-contrôle contre les pathogènes mycotoxinogènes des plantes. / Fusarium trichothecenes are a large group of sesquiterpenes that are inhibitors of eukaryotic protein synthesis. They cause health problems for humans and animals that consume fungus-infected agricultural products. In addition some of Fusarium trichothecenes are virulence factors of plant pathogenesis. In this study, sixteen Fusarium strains were isolated and characterized from naturally infected potato plants. Pathogenicity tests were carried out to evaluate the virulence of these isolates on potato plants and their trichothecene production capacity. We chose F. sambucinum strain T5 as a model for this study because it was the most aggressive strain when tested on potato plants. It induces a rapid wilting and yellowing resulting in plant death. This strain produced 4,15-diacetoxyscirpenol (4,15-DAS) when grown in liquid culture. We amplified and characterized five trichothecene genes (TRI5, TRI4, TRI3, TRI11, and TRI101) involved in the production of 4,15-DAS. Nucleotide BLAST search showed 98% and 97% sequence identity with trichothecene biosynthetic genes of F. sporotrichioides and Gibberella zeae, respectively. We used F. sambucinum to determine if trichothecene gene expression was affected by the symbiotic arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) Glomus irregulare. We found that the growth of F. sambucinum was significantly reduced in the presence of G. irregulare isolate DAOM-197198 compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Furthermore, inhibition of the growth F. sambucinum was associated with morphological changes, which were observed when G. irregulare hyphae reached F. sambucinum mycelium, suggesting that G. irregulare may produce compounds that interfere with the growth of F. sambucinum. Using real-time qRT-PCR assays, we assessed the relative expression of trichothecene genes of F. sambucinum confronted or not with G. irregulare. When G. irregulare was confronted with F. sambucinum, TRI5 and TRI6 genes were up-regulated, while TRI4, TRI13 and TRI101 were down-regulated. We therefore used GC-MS analysis to determine whether G. irregulare affects trichothecene production by F. sambucinum. We found that the production of 4,15-DAS trichothecene was significantly reduced in the presence of G. irregulare compared with controls that consisted of carrot roots without G. irregulare or F. sambucinum alone. Interestingly, 4,15-DAS pattern was reduced to 39 μg/ml GYEP medium by G. irregulare compared to 144 μg/ml GYEP with F. sambucinum grown with carrot roots or F. sambucinum alone respectively. We tested the AMF capacity to induce defense responses of potato plants following infection with F. sambucinum. The response of AMF-colonized potatoes to F. sambucinum was investigated by tracking the expression of genes homologous with pathogenesis-related proteins chitinase class II (ChtA3), 1,3-β-glucanase (gluB), peroxidase (CEVI16), osmotin-like protein (OSM-8e) and pathogenesis-related protein (PR-1). We found that the AMF treatment up-regulated the expression of all defense genes in roots at 72 hours post-infection (hpi) with F. sambucinum. We also found that a decrease provoked by F. sambucinum in gluB and CEVI16 expression in shoots could be blocked by AMF treatment. Overall, a differential regulation of PR homologues genes in shoots indicates that AMF are a systemic bio-inducer and their effects could extend into non-infected parts. In conclusion, this study provides new insight into on the interactions between plants and microbes, in particular the effects of AMF on the growth and the reduction of mycotoxins in Fusarium. It also shows that AMF are able to reduce the disease severity in plants by stimulating their defense. The data presented provide new opportunities for bio-control against mycotoxin-producing pathogens in plants.

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.

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are the most widespread eukaryotic symbionts, forming mutualistic associations known as Arbuscular Mycorrhizae with the majority of plantroots. AMF are obligate biotrophs belonging to an ancient fungal lineage of phylum Glomeromycota. Their mycelia are formed by a complex network made up of coenocytic hyphae, where nuclei and cell organelles can freely move from one compartment to another. AMF are commonly acknowledged to improve plant growth by enhancing mineral nutrient uptake, in particular phosphate and nitrate, and they confer tolerance to abiotic and biotic stressors for plants. Despite their significant roles in ecosystems, their genetics and evolution are not well understood. Studying AMF is challenging due to their obligate biotrophy, their slow growth, and their limited morphological criteria. In addition, intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA brings another level of complexity to the investigation of the biology, ecology and function of AMF. Genetic polymorphism of nuclear DNA within a single isolate limits the development of efficient molecular markers mainly at lower taxonomic levels (i.e. the inter-isolate level). Instead, mitochondrial (mt) genomics have been used as an attractive alternative to study AMF. In AMF, mt genomes have been shown to be homogeneous, or at least much less polymorphic than nuclear DNA. However, by generating large mt sequence datasets we can investigate the efficiency and usefulness of developing molecular marker toolkits in order to study the dynamic and evolutionary mechanisms of AMF. This approach also elucidates the population genetics, community ecology and functions of Glomeromycota. Therefore, the objectives of my Ph.D. project were: 1) To investigate mitochondrial genome evolution using comparative mitogenomic analyses of closely related species and isolates as well as phylogenetically distant taxa of AMF; 2) To explore mt genome inheritance among compatible isolates of the model AMF Rhizophagus irregularis through anastomosis formation; and 3) To assess mtDNA and mt genes for marker development and phylogenetic analyses. We used whole genome shotgun, 454 pyrosequencing and HiSeq Illimina to sequence AMF taxa selected according to their importance and availability in our lab collections. De novo assemblies, Sanger sequencing, annotation and comparative genomics were then performed to characterize complete mtDNAs. We discovered interesting evolutionary mechanisms in Gigaspora rosea: 1) we found a fully reshuffled mt genome synteny compared to Rhizaphagus irregularis DAOM 197198; and 2) we discovered the presence of fragmented cox1 and rns genes. We demonstrated that two cox1 transcripts are joined by trans-splicing. We also reported an unusual mtDNA organization in Rhizophagus sp. DAOM 213198, whose mt genome consisted of two circular mtDNAs. In addition, we observed a considerably higher number of mt plasmidrelated sequences in Glomeraceae compared with Gigasporaceae, contributing a mechanism for faster evolution of mtDNA in Glomeromycota. We also sequenced other isolates of R. irregularis and Rhizophagus sp. in order to unravel their evolutionary relationships and to develop molecular toolkits for their discrimination. Comparative mitogenomic analyses of these mtDNAs revealed the occurrence of many mobile elements such as mobile open reading frames (mORFs), short inverted repeats (SIRs), and plasmid-related sequences (dpo) that impact mt genome synteny and mtDNA alteration. All together, these evolutionary mechanisms among closely related AMF isolates give us clues for designing reliable and efficient intra- and inter-specific markers to discriminate closely related AMF taxa and isolates. Data generated in my Ph.D. project advances our knowledge of mitochondrial genomes evolution not only in Glomeromycota, but also in the larger framework of the Fungal kingdom and Eukaryotes in general. Molecular toolkits developed in this project will offer new opportunities to study population genetics, genetic exchanges and ecology of AMF. In turn, this work will contribute to understanding the role of these fungi in nature, with potential applications in both agriculture and environmental protection.

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

Understanding of carbon cycling in coniferous forests that represent a large carbon sink is crucial for our understanding of natural processes under global climate change. Recognition of fungi as fundamental decomposers can contribute to this understanding. Fungi are able to decompose numbers of substrates and possess a variety of enzymes to do so In this study I present litter decomposing fungi in mountain spruce forest from national park Šumava. The aim of my thesis was to follow succession and community changes of fungi from the early stages of decomposition of Picea abies needles until degradation of organic matter in the organic horizon of the soil. This aim was accomplished partly by recording the extracellular enzyme production of fungi in different stages of decomposition from needles attached to the twigs of a fallen tree to a litter material in later stages of decomposition on the soil surface. In addition to testing of fungi on their natural substrata - needle litter, enzyme activities were also measured in laboratory agar cultures, which allow comparison of diverse fungi with different origins. Enzyme activities were aimed at enzymes decomposing cellulose and compounds found in litter. Although ecology of endophytic and saprothrophic fungi suggest differences in enzyme production, these...

Der Beitrag der arbuskulären Mykorrhizapilze zur Nährstoffaufnahme und zum Wachstum von Pflanzen ist vom Genotyp des Pilzes und der Pflanze abhängig, sowie von den Umweltbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wurden Mykorrhizapilze unterschiedlicher Herkunft verwendet. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Untersuchung der Rolle der Mykorrhiza bei der Reaktion der Pflanze auf räumlich unterschiedliches Nährstoffangebot im Boden. Als Versuchspflanzen wurden Süßkartoffel und Tagetes verwendet. Für die Arbeit wurden verschiedene Modellexperimente durchgeführt. In speziell für diese Arbeit konstruierten Gefäßen wurden nicht-mykorrhizierte und mykorrhizierte Süßkartoffelpflanzen mit organischer Substanz versorgt, die entweder gleichmäßig oder heterogen im Substrat verteilt war. In weiteren Experimenten wurde mit Hilfe von "split-root" Systemen die Wirkung arbuskulärer Mykorrhizapilze auf ein lokales Angebot von mineralischem Phosphor und Stickstoff im Boden untersucht. Darüber hinaus wurde in Versuchen Kompost räumlich konzentriert im Substrat angeboten. Die Messungen umfassten den Mykorrhizierungsgrad der Wurzel, die Entwicklung des extraradikalen Myzels, die Trockenmasse der Pflanze sowie die Konzentrationen an Phosphor und Stickstoff in der Pflanze. Eine Besiedlung der Wurzeln mit arbuskulären Mykorrhizapilzen führte in den meisten Versuchsansätzenzu einer erhöhten Nährstoffaufnahme der Pflanze und zu einem verbesserten Wachstum. Ein besonders starkes Hyphenwachstum in Bodenzonen mit viel organischer Substanz wurde jedoch nicht beobachtet. Zugabe von Kompost führte teilweise zu einem Rückgang des Mykorrhizierungsgrades. Die Verwendung von organischem Material oder Kompost im Gartenbau kann sinnvoll sein und zur Verminderung von Mineraldüngung beitragen. Optimales Pflanzenwachstum und Mykorrhizawirkung erfordern jedoch eine gute Balance zwischen Art und Menge des organischen Stoffes bzw. Komposts, den Substrateigenschaften und den Pflanzen- und Pilzgenotypen. / The actual contribution of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi to plant nutrient uptake depends on the fungal and plant genomes, and on environmental conditions. In the present study, AM fungi of different origin, for example isolated from plots with different long-term fertilizer application history, were used to quantify their contribution to plant nutrient uptake under situations of spatially heterogeneous soil nutrient distribution. Test plants for this study were sweet potato and marigold. Several model experiments were carried out. In specifically constructed growth containers, non-mycorrhizal and mycorrhizal sweet potato plants were supplied with organic matter either homogeneously or heterogeneously distributed in the substrate. Bacteria from a long-term organically fertilized soil were also added as a treatment. In other experiments using a split-root approach, the influence of AM fungi on the plant response to localized mineral phosphorus and nitrogen supply was studied. In a further experiment, the effects of localized compost supply on marigold plants inoculated with Glomus mosseae were investigated. Arbuscular mycorrhizal fungi increased nutrient uptake and growth of plants under most conditions, also when nutrients were heterogeneously distributed in soil. However, there was no indication of increased hyphal proliferation or activity in soil spots with high organic matter. Plant phosphorus status regulated the extent of AM root colonization. The extent of AM root colonization was partly decreased by application of organic matter and of compost to the substrate. Application of organic matter and/or compost can be beneficial in horticulture and can replace mineral fertilizer use. However, optimum plant growth and mycorrhizal function require a good balance between type and amount of organic matter or compost, growth substrate properties and plant and AM fungal genotype.

Aufgrund seines Nährstoffaneignungsvermögens und Stimulierung des Pflanzenmetabolismus kann der Arbuskuläre Mykorrhiza (AM) Pilz im Gartenbau nutzbringend eingesetzt werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf den Möglichkeiten des AM Pilzes a) pflanzenernährerische Probleme zu lösen, b) die Blütenbildung bei Zierpflanzen zu steigern und c) das Gesundheitspotential von Gemüse für den Menschen zu erhöhen (sekundäre Pflanzenmetaboliten). Zur Lösung pflanzenernährerischer Probleme wurden Porree, Pelargonie und Poinsettie auf Torf-Substraten mit 20% und 40% Kompostzusatz untersucht. Ferner wurde Salat auf Torf-Substrat mit drei P Behandlungen getestet: substrateigenes P, Rohphosphat und lösliches P. Frühlingszwiebeln und Schnittknoblauch wurden in Nährlösungen auf Perlit mit niedrigem, mittlerem und hohem NH4+/NO3- Verhältnis ernährt. Gemessen wurde die AM Kolonisation, die Trockenmasse und die N, P, K, S, NO3-, Mg und Zn Konzentrationen im Spross. Die Blütenbildung von Pelargonien und Poinsettien wurde auf Torf-Kompost-Substraten untersucht. Der Einfluss auf die sekundäre Metaboliten von Frühlingszwiebeln und Schnittknoblauch wurde zusammen mit drei NH4+/NO3- Verhältnissen geprüft (s.o.). Untersucht wurden Glukose, Fruktose, Saccharose, lösliche Feststoffe und organische Schwefelverbindungen (gemessen als Pyruvat). Eine AM Kolonisation konnte die Nährstoffversorgung der Pflanze verbessern und die Blütenbildung erhöhen. Jedoch profitierten die Pflanzen unter den beschriebenen experimentellen Bedingungen nicht durchgängig in ihrem Wachstum und Metaboliten vom AM Pilz. Die Zugaben von Kompost ermöglichte die Verbesserung der Substratqualität für die Nährstoffversorgung und das Pflanzenwachstum unter ökologischen Gartenbaubedingungen. Der Ertrag von gesundheitsfördernden organischen Schwefelverbindungen konnte in Abhängigkeit von der jeweiligen Allium Spezies, durch eine Variation des Ammonium/Nitrat Verhältnissen und/oder durch einen AM Effekt auf das Wachstum gesteigert werden. / Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi can be beneficial for horticultural crops due to their nutrient acquisition properties and stimulation of the plant metabolism. The present work focuses on the prospects of AM fungi a) to solve plant nutritional problems, b) to induce flower development of ornamental plants, and c) to improve the health potential of crop plants for humans. Contribution of AM fungi to plant nutritional problems were investigated with leek, pelargonium and poinsettia plants on peat-based substrates with 20% and 40% compost additions. Moreover, lettuce plants were supplied on peat-based substrates with substrate own P, rock phosphate, or highly soluble P. Bunching onion and chinese chive were propagated on perlite in nutrient solution with low, medium and high NH4+:NO3- ratios. Mycorrhizal colonization, dry weight, and N, P, K, S, NO3-, Mg and Zn concentrations in plants were measured. Mycorrhizal effects on bud and flower development of pelargonium and poinsettia plants were investigated on peat-based compost substrates. Treatment effects on secondary metabolites in bunching onion and chinese chive were determined by exposing mycorrhizal and non mycorrhizal plants to three NH4+:NO3- supply ratios. The metabolites measured were glucose, fructose, and sucrose, total soluble solids, and organosulfur compounds (measured as pyruvic acid). Colonization improved plant nutrient status and flower development. Under the described experimental conditions, however, plants did not consistently benefit in growth or plant composition from the mycorrhizal symbiosis. Additions of compost were a means of improving the substrate quality for an increased plant nutrient acquisition and plant growth in organic horticulture. The plant quality of Allium species in respect to organosulfur compounds was increased by taking the individual Allium species into consideration, their specific requirements for an optimal NH4+:NO3- supply ratio, and a possible AM effect on plant growth.