Thèse doctorat : Biologie forestière : Nancy 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands en Portugees.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Universiẗat, Diss., 2003--Köln.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Berlin.

Ameisen der Gattung Camponotus beherbergen bakterielle Symbionten der Gattung Blochmannia in spezialisierten Zellen des Mitteldarms (Blochmann, 1882; Buchner, 1965; Sauer, 2000; Schröder et al., 1996). Die Genomsequenzierung dieser Symbionten zeigte, dass Blochmannia, ähnlich den Symbionten von Blattläusen, hauptsächlich Gene der Aminosäurebiosynthese beibehalten hat (Degnan et al., 2005; Gil et al., 2003). Die Relevanz dieser nahrungsaufwertenden Funktion konnte experimentell bestätigt werden (Feldhaar et al., 2007). Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der dynamischen Interaktion der beiden Partner während des komplexen Lebenszyklus des holometabolen Wirtes. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass die Symbiose vor allem während der Larven- und Puppenphasen von Bedeutung sein könnte (Feldhaar et al., 2007; Wolschin et al., 2004; Zientz et al., 2006). Mit fluoreszenter in situ Hybridisierung (FISH) und konfokaler Laserscanning Mikroskopie konnte in der vorliegenden Arbeit die Lokalisierung von B. floridanus während der wichtigsten Entwicklungsstadien aufgeklärt werden. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Symbionten schon im ersten Larvenstadium in spezialisierten Zellen um den Darm angeordnet sind, aber in späteren Stadien nicht, wie bisher angenommen, auf diese Bakteriozyten beschränkt sind, sondern bis zum Schlupf der jungen Arbeiterinnen massiv andere Darmzellen infizieren. Übereinstimmend mit Bestimmungen der Zellzahl in den verschiedenen Wirtsstadien ist die Anzahl der Symbionten gegen Ende der Metamorphose am höchsten. Die Symbiose degeneriert in sehr alten Arbeiterinnen, gut gefüllte Bakteriozyten werden jedoch noch monatelang beibehalten. Mit Macroarray- und qRT- PCR- basierten Transkriptomanalysen wurde die Expression der bakteriellen Gene in charakteristischen Entwicklungsstadien des Wirtes untersucht. Allgemein zeigen vor allem Gene für molekulare Chaperons und bestimmte bakterielle Grundfunktionen eine hohe Expression. Aber auch viele Gene, die möglicherweise wichtige Funktionen in der Symbiose besitzen, wie die Biosynthese essentieller Aminosäuren und das Recycling von Stickstoffverbindungen, zeigen ein hohes absolutes Transkriptlevel. Zudem besteht eine positive Korrelation zwischen dem Expressionsniveau und dem GC- Gehalt der Gene, die in dem höheren Selektionsdruck und damit einer geringeren Mutationsrate der essentiellen Gene begründet liegt (Schaber et al., 2005). Durch Proteinanalysen konnte bestätigt werden, dass die Faktoren mit der höchsten absoluten Transkription die dominanten Proteine der Symbionten darstellen. In den unterschiedlichen Entwicklungsstadien zeigen viele Gene eine deutliche Dynamik, deren Ausmaß aber, verglichen mit freilebenden Bakterien, gering ist. Aus den Expressionsprofilen aufeinanderfolgender Gene lassen sich mögliche Transkriptionseinheiten ableiten, die teilweise auch experimentell bestätigt wurden. Oftmals zeigen auch Gene, die nicht in Transkriptionseinheiten angeordnet sind, aber verwandten Stoffwechselwegen angehören, ähnliche Muster. Dies deutet auf das Vorhandensein grundlegender Genregulations-mechanismen hin, obwohl im Genom von B. floridanus nur noch sehr wenige Transkriptionsfaktoren codiert sind (Gil et al., 2003). Auf übergeordneter Ebene zeigt sich, dass bei Symbionten aus späten Puppenstadien viele symbioserelevante Gene im Vergleich zu Genen des Grundmetabolismus eine erhöhte Expression zeigen. Dies betrifft besonders die Biosynthese aromatischer und verzweigter Aminosäuren, die in diesen Stadien vom Wirt in hoher Menge benötigt werden, während die internen Reserven gleichzeitig zur Neige gehen. Dies äußert sich auch im deutlichen Abfallen der Speicherproteinmenge des Wirts gegen Ende der Puppenphase. Die festgestellte Veränderung der Symbiontenzahl übertrifft das geringe Ausmaß der Genregulation um ein Vielfaches. Die Bakterien liegen in jedem Stadium polyploid mit bis zu 100 Genomkopien vor, dieser Polyploidiegrad bleibt jedoch während der gesamten Wirtsentwicklung weitestgehend konstant. Somit scheint die Kontrolle des Wirts über die bakterielle Vermehrung der entscheidende Faktor dieser Symbiose zu sein. Die verbleibenden regulatorischen Fähigkeiten der Bakterien stellen möglicherweise eine Feinjustierung von optimierten Produktionseinheiten dar, deren Anzahl nach den Bedürfnissen des Wirtes verändert wird. Insgesamt konnten in der vorliegenden Arbeit neue Einblicke in das komplexe Zusammenleben von Blochmannia und Camponotus gewonnen werden, die zu einem besseren Verständnis der biologischen Funktion und der grundlegenden Mechanismen dieser Symbiose führen. Eine der wichtigsten Fragestellungen nach dem Sinn einer nahrungsaufwertenden Symbiose für einen Nahrungsgeneralisten konnte mit starken Hinweisen auf eine stadienabhängige Relevanz der Symbiose beantwortet werden, die den enormen evolutionären Erfolg dieser Ameisengattung erklären könnte.  / Ants of the genus Camponotus harbor bacterial endosymbionts of the genus Blochmannia in specialized cells of their midgut (Blochmann, 1882; Buchner, 1965; Sauer, 2000; Schröder et al., 1996). The complete sequencing of the symbiont’s genome revealed, that Blochmannia, comparable to the symbionts of aphids, mainly retained genes involved in the biosynthesis of essential amino acids (Degnan et al., 2005; Gil et al., 2003). The biological relevance of a nutritional upgrading by Blochmannia could be confirmed experimentally (Feldhaar et al., 2007). One focus of this thesis was the elucidation of the dynamic interactions between the two partners during the complex life cycle of the holometabolic host animal. Previous studies pointed towards a temporal relevance of this symbiosis especially during larval and pupal development (Feldhaar et al., 2007; Wolschin et al., 2004; Zientz et al., 2006). In this thesis the localization of B. floridanus could be documented throughout all life stages of the host by fluorescent in situ hybridization (FISH) and confocal laser scanning microscopy. A layer of densely filled bacteriocytes surrounding the gut could already be identified in first instar larvae. In contrast to previous assumptions, the bacteria are not restricted to these cells in later stages, as until the eclosion of the young adult workers bacteria massively infect other midgut cells. Concordant with previous findings, bacterial load is highest at the end of metamorphosis and symbiont numbers decrease in older workers, yet densely filled bacteriocytes are still visible after several months. The expression of the bacterial genes during characteristic life stages of the C. floridanus was assessed by macroarray and qRT- PCR- based experiments. In general, especially molecular chaperones, central basic metabolism and may putative symbiosis related factors like pathways leading to essential amino acids or nitrogen recycling show highest absolute expression levels. A positive correlation between expression level and GC- content of the genes can be observed, which is caused by a higher selection pressure and lower mutation rate of these essential factors (Schaber et al., 2005). Protein analyses confirmed the correlation between gene expression and translation of the most abundant factors. Many B. floridanus genes exhibit a dynamic expression during the different host stages but the extent of this gene regulation is modest as compared to free living bacteria. Expression profiles of genes located next to each other on the genome allow proposal of local transcription units, which were confirmed experimentally in several cases. Often genes that are not clustered locally but belong to related metabolic functions also exhibit similar expression patterns. This indicates the existence of basic mechanisms of gene regulation despite the low number of transcription factors annotated in the B. floridanus genome (Gil et al., 2003). In late pupal stages symbiosis related genes often show a higher expression compared to basic metabolic functions. This especially includes biosynthetic pathways for aromatic and branched amino acids, which are needed by the host at this stage in increased amounts, while internal storages are depleted. This could be demonstrated by the significant decrease in storage proteins of the host at the end of the pupal phase. The observed change in bacterial numbers per host exceeds the extent of bacterial gene regulation by far. The symbionts are polyploid in each host stage with up to 100 genome copies per cell. The degree of polyploidy is largely constant during host development. Thus the control over bacterial reproduction seems to be the decisive factor in this symbiosis. The residual regulatory capacities of the symbionts might represent a mechanism of fine tuning of a production unit that has been streamlined by evolution and whose numbers are adjusted according to the host’s needs. In conclusion, this thesis delivers new insights into the complex symbiosis of Blochmannia and Camponotus leading to a better understanding of its biological function and the underlying mechanisms. One of the central mysteries concerning the need of a symbiont for nutritional upgrading for an omnivorous host could be explained by a temporal, stage- dependent relevance of this symbiosis, possibly being the reason for the enormous evolutionary success of this ant genus.

Thesis--Leyden. / In Periodical Room.

Les endosymbioses racinaires sont des associations bénéfiques établies entre les racines des plantes et des micro-organismes du sol. Ces symbioses ont un intérêt agronomique et écologique puisque les plantes fournissent à leurs partenaires microbiens une niche écologique et des sucres issus de la photosynthèse et en retour, les micro-organismes associés aux racines vont fournir à la plante des nutriments minéraux qui sont actuellement apportés dans l’agriculture conventionnelle sous forme d’engrais. Durant ma thèse, j’ai particulièrement étudié la symbiose endomycorhizienne à arbuscules (AMS). Elle implique des champignons du groupe des Gloméromycètes et plus de 80 % des plantes terrestres. Ainsi cette symbiose est la plus répandue sur terre connue à l’heure actuelle. Plusieurs étapes importantes pour l’établissement de l’AMS ont été définies. La première de ces étapes est la reconnaissance mutuelle entre le champignon endomycorhizien et la plante hôte. Le champignon est capable de percevoir les plantes par les exsudats racinaires qu’elles sécrètent dans la rhizosphère. Dans le mélange complexe de molécules que sont les exsudats racinaires, des phytohormones appelées strigolactones activent le métabolisme des champignons endomycorhizien, la ramification des leurs hyphes et la production de molécules fongiques appelée facteurs Myc. La perception des facteurs Myc par la plante active des processus permettant la colonisation des racines par le champignon. Ce dialogue moléculaire entre champignons endomycorhiziens et plantes hôtes reste toutefois méconnu. Des molécules de type Lipo-chitooligosaccharides (LCO) ou chito-oligosaccharides (CO) ont été identifiées dans les exsudats de spores ou d’hyphes de champignons et activent la voie de signalisation symbiotique chez les plantes mais leurs rôles respectifs dans l’établissement de l’AMS restent mal compris. Du côté de la plante, des récepteurs potentiels aux LCOs et aux COs sont codés par les gènes de la famille des Lysin Motif Receptor-Like Kinase (LysM-RLK) qui sont capables de lier les constituants structuraux des LCOs et des COs. Cependant aucune preuve n’avait été apportée, au commencement de ma thèse, permettant de conclure sur le rôle des LCOs, des COs, et des LysM-RLKs dans la mise en place de l’AMS. C’est ce que je me suis attachée à démontrer durant ma thèse. Pour cela, j’ai travaillé sur une dicotylédone (la tomate : Solanum lycopersicum) et sur une monocotylédone (Brachypodium distachyon, un modèle pour le blé). Pour identifier les récepteurs aux LCOs dans ces plantes et déterminer leur rôle dans l’AMS nous avons mis en place des techniques de génétique inverse. Nous avons ensuite déterminé l’affinité de ces récepteurs pour les LCOs. Ainsi, nous avons montré que la perception des LCOs dans la tomate est importante pour la mise en place de l’AMS. Par ailleurs, je me suis intéressée à la symbiose entre des bactéries du type rhizobium et des plantes principalement de la famille des légumineuses. La mise en place de cette symbiose nécessite la synthèse de LCOs par les rhizobia et leur perception par la plante via des récepteurs de la famille des LysM-RLKs. Ces similarités que la symbiose rhizobium-légumineuses partage avec l’AMS nous ont conduits à poser la question de savoir si les récepteurs de LCOs impliqués dans l’AMS (beaucoup plus ancienne que la symbiose rhizobium-légumineuse) ont été recrutés durant l’évolution pour jouer un rôle dans la symbiose rhizobium-légumineuse. J’ai pu montrer que les récepteurs de LCOs impliqués dans l’AMS chez les espèces non-légumineuses susmentionnées sont fonctionnels l’établissement de la symbiose rhizobium-légumineuse chez une légumineuse. / Root endosymbioses are beneficial associations established between plant roots and soil microorganisms. These symbioses have an agronomic and ecological interest as plants provide their microbial partners with an ecological niche and carbohydrates from photosynthesis. In return, the root-associated microorganisms provide the plant with minerals that are currently being delivered in conventional agriculture as fertilizers. During my thesis, I particularly studied the arbuscular mycorrhizal symbiosis (AMS). It involves fungi of the Glomeromycota group and more than 80 % of land plants. This is the currently known most widespread symbiosis on earth. Important steps for the AMS establishment have been defined. The first step is the mutual recognition between the endomycorrhizal fungus and the host plant. Fungi can perceive plants through the root exudates. In the complex mixture of molecules in the root exudates, phytohormones called strigolactones activate the endomycorrhizal fungal metabolism, the branching of their hyphae and the production of fungal molecules called Myc-Factors. Myc-Factors are perceived by the plant and activate a signaling pathway allowing root colonization by the fungus. However, parts of the molecular dialogue between endomycorrhizal fungi and host plants remain unknown. Lipo-chitooligosaccharide (LCO) or chito-oligosaccharides (CO) molecules have been found in exudates of fungal spores or hyphae and were shown to activate the plant symbiotic signaling pathway, however their respective roles in the AMS establishment are unclear. Putative plant receptors for LCOs and COs are encoded by genes from the Lysin Motif Receptor-Like Kinase family (LysM-RLK) which are able of binding the structural LCO and CO components. However, at the beginning of my PhD, we had no evidence allowing to conclude about the involvement of LCOs, COs, or LysM-RLKs in the AMS establishment. During my thesis, I aimed to understand the role the LCOs and their plant receptors in AMS. For this, I used on a dicotyledon (the tomato: Solanum lycopersicum) and on a monocotyledon (Brachypodium distachyon that is a model for wheat). In order to identify the LCO receptors in these two species, I used a reverse genetic approach. Then I determined these receptors affinity for various LCO structures. I showed that in tomato, LCO perception is important for AMS establishment. In addition, I have studied the symbiosis between rhizobium-type bacteria and plants of the legume family. Interestingly, the establishment of this symbiosis requires LCO synthesis by rhizobia and LCO perception by the plant via receptors of the LysM-RLK family. The fact that rhizobium-legume symbiosis shares similarities with the AMS led us to ask whether the LCO receptors involved in AMS (a much more ancient symbiosis than the rhizobium-legume symbiosis) have been recruited during evolution for a role in the rhizobium-legume symbiosis. I demonstrated that the LysM-RLKs involved in AMS in the above mentioned non-legume species are functional for the rhizobium-legumes establishment in a legume species.

Sous la forêt boréale albertaine, dans l'Ouest canadien, repose la deuxième plus grande réserve de pétrole mondiale. Son exploitation détruit l'écosystème, en plus de générer de grandes quantités de résidus phytotoxiques, dont les principaux sont le sable résiduel (TS) et le coke. Selon la loi provinciale, avant la fin de l'exploitation, les terres doivent être restituées dans leur état original. Cependant, la réhabilitation des terres demeure un défi significatif compte tenu du volume de résidus qui seront générés par l'industrie pétrolière en Alberta. Les plantes actinorhiziennes sont des végétaux très résistants, qui colonisent souvent des habitats hostiles : dépôts volcaniques, dunes de sable, sols érodés à la suite d'un glissement de terrain, sols contaminés. La plupart de ces milieux sont pauvres en azote, en conséquence, l'établissement de la symbiose avec un actinomycète fixateur d'azote atmosphérique, Frankia spp., leur confère un avantage indéniable. Parmi les plantes actinorhiziennes, l'aulne actinorhizé revêt un intérêt particulier. À maintes reprises, il a prouvé son utilité dans le cadre de diverses pratiques agroforestières ou de réhabilitation de sites contaminés par des métaux lourds, des résidus chimniques et des hydrocarbures. Des 47 espèces d'aulnes distribuées mondialement, 7 sont indigènes du Canada, dont l'aulne rugueux et l'aulne crispé. Puisque ces deux espèces ont déjà été utilisées à grande échelle au Canada pour réhabiliter des terres perturbées, leur emploi dans le cadre de la revégétalisation des sites albertains est pertinent. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale avait comme objectif d'évaluer la capacité des aulnes Symbiotiques à coloniser directement les principaux résidus de l'industrie pétrolière albertaine. Il tentait également d'évaluer l'impact qu'auraient ces résidus sur la symbiose de l'aulne crispé et de l'aulne rugueux avec Frankia. L'hypothèse de recherche stipule donc que l'aulne crispé et l'aulne rugueux peuvent croître directement en TS et en coke, et que la symbiose avec la bactérie du genre Frankia améliore le développement des aulnes croissant dans ces résidus. Afin d'investiguer la question, des aulnes crispés et rugueux ont été cultivés en conditions gnotobiotiques, en absence ou en présence de Frankia, dans du TS ou du coke. Par la suite, ils ont été récoltés, et leur développement a été évalué. Que ce soit en présence de TS ou de coke, Frankia a établi la symbiose avec l'aulne crispé et l'aulne rugueux. Cette symbiose a permis aux aulnes de survivre en substrats résiduels et a assuré un meilleur développement de ceux-ci. Dans le cas du coke, une étude terrain a confirmé ces résultats. En conclusion, l'aulne rugueux et l'aulne crispé détiennent les qualités nécessaires pour participer à la revégétalisation des sites perturbés par l'industrie pétrolière albertaine, et la présence de la symbiose actinorhizienne améliore significativement le développement de ces végétaux en présence de stress environnemental.

Les cycles biogéochimiques des éléments chimiques jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement et l'évolution de tous les écosystèmes. Les éléments essentiels pour la vie sont les macro et micronutriments. Au niveau planétaire, la production primaire est principalement limitée par la biodisponibilité de l'azote et du phosphore. Dans la forêt boréale, l'azote est l'élément le plus souvent reporté comme limitant la production primaire. Paradoxalement, la quantité d'azote dans les sols boréaux est élevée. Cependant, l'azote se rencontre sous des formes très récalcitrantes (l'azote organique présent dans la couche de litière), difficilement accessibles par la biosphère. Les formes d'azote facilement mobilisables ainsi que l'entrée de nouvel azote par fixation biologique sont donc essentielles à la production primaire. La fixation d'azote est effectuée par des bactéries fixatrices symbiotiques et/ou non-symbiotiques, grâce à une métallo-enzyme, la nitrogénase. Étant donné que cette réaction est très coûteuse énergétiquement et que la disponibilité des métaux, tel que le cofacteur métallique (par exemple molybdène) joue un rôle important dans cette réaction, ce processus peut être limité par la biodisponibilité du phosphore et du molybdène. L'effet de l'azote et du phosphore sur la production primaire est bien connu dans la littérature. Cependant, peu d'informations sont encore disponibles sur le rôle de la biodisponibilité des métaux sur le processus de fixation d'azote et en conséquence sur le contrôle de la croissance de la forêt. Mieux comprendre les facteurs contrôlant la fixation d'azote en milieu boréal revêt également une importance capitale afin de mieux évaluer la réponse des écosystèmes au changement climatique. En effet, les effets du changement climatique restent très débattus. Cependant, la majorité de la communauté s'accorde sur le fait que la disponibilité de l'azote pour les plantes jouera un rôle de premier plan dans cette réponse. L'impact du changement climatique sur le couplage carbone/azote peut être très varié et difficile à prédire avec certitude. Dans le cadre des recherches présentées ici, l'objectif de notre travail a été de comprendre le rôle des métaux dans la fixation d'azote en milieu boréal dans un contexte du changement climatique. Il est possible de distinguer deux formes majeures de fixation d'azote; premièrement, la fixation symbiotique d'azote chez les plantes supérieures. La deuxième forme est la fixation non-symbiotique d'azote dans les sols notamment la couche de litière de feuilles où l'activité des bactéries fixatrices non-symbiotiques d'azote est plus active. La fixation non-symbiotique d'azote est particulièrement importante pour apporter l'azote nécessaire en forêt boréale. Cependant, notre connaissance sur l'impact du réchauffement climatique sur la fixation non-symbiotique d'azote reste également limitée. Dans un premier temps, nous avons évalué l'effet de la limitation en azote sur l'homéostasie métallique de l'aulne, principale plante fixatrice d'azote en milieu boréal, dans un contexte de changement climatique simulé par une augmentation de la concentration de CO2. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le relargage des nutriments au cours d'une saison de décomposition de la litière de feuilles dans la forêt tempérée froide. En effet, il a été démontré que la fixation d'azote dans les litières en milieu tempéré est limitée par la disponibilité en phosphore mais également en molybdène. Cette limitation est fortement influencée par le type de couvert végétal et présente une dynamique saisonnière. La qualité des litières ainsi que la dynamique des nutriments durant la décomposition de la litière ont donc été proposées comme mécanismes importants contrôlant l'émergence de la limitation en phosphore et/ou molybdène. Cependant, bien que la libération de l'azote et du phosphore durant la décomposition soit bien documentée, la relation entre la libération des éléments (P et métaux) et la fixation non-symbiotique d'azote a été peu explorée. Les résultats de ce projet nous ont permis de comprendre comment la dynamique des métaux lors de la décomposition des litières peut influencer la fixation non-symbiotique d'azote. La démonstration de l'importance des métaux traces sur le contrôle des processus de fixation d'azote amène inévitablement à s'interroger sur les mécanismes permettant l'acquisition de ces éléments par les organismes fixateurs. Les métaux dans le sol peuvent être des ions solubles, peu solubles et/ou insolubles. La complexation d'ions métalliques solubles avec la matière organique insoluble réduit leur biodisponibilité, tandis que la formation de complexes organiques solubles peut augmenter leur biodisponibilité. Dans cette matrice complexe qu'est le sol, l'acquisition de métaux essentiels tels que le molybdène peut donc être un réel défi. Il a été démontré au cours des dernières années que les organismes fixateurs d'azote non-symbiotiques utilisent des mécanismes très spécifiques pour contrôler l'acquisition du molybdène et soutenir la fixation d'azote. Ainsi Azotobacter vinelandii, produit des métallophores capables d'influencer la spéciation extracellulaire de molybdène afin de mieux contrôler son acquisition. Dans le cas de la fixation symbiotique d'azote de tels mécanismes n'ont pas encore été caractérisés pour l'acquisition du molybdène. Cependant, l'aulne, comme d'autres plantes, est capable de former des symbioses avec des champignons mycorhiziens dont l'importance pour la nutrition en azote et en phosphates des plantes n'est plus à démontrer. Ces champignons sont fortement impliqués dans le recyclage de la matière organique et sont connus pour produire une grande diversité de sidérophores (potentiellement métallophores). Le rôle des champignons mycorhiziens dans la nutrition minérale soutenant la fixation d'azote demeure peu exploré. Le dernier objectif de ce projet de doctorat consistait ainsi à tenter d'identifier et caractériser les sidérophores chez diverses souches de champignons, notamment les champignons mycorhiziens. Les résultats de cette partie nous ont aidés à comprendre l'effet des microorganismes sur la dynamique des métaux via la production de métallophores. L'ensemble des résultats obtenus dans cette thèse nous a permis de mieux comprendre l'importance de la symbiose actinorhizienne dans la réponse de l'aulne au changement climatique. Ils ont également permis de mieux comprendre l'importance de la dynamique des micronutriments durant la décomposition de la litière sur l'émergence de la limitation en phosphore et en molybdène de la fixation non-symbiotique d'azote. Enfin, nous avons exploré la présence de métallophores chez les champignons mycorhiziens.