Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La symbiose mycorhizienne à arbuscules (SMA) est le résultat de l'interaction entre les racines de plus de 80% des familles de plantes terrestres et les champignons MA. Divers types de membranes jouent un rôle crucial dans la mise en place et le fonctionnement de la SMA chez l’hôte végétal. Si l’électrophorèse bidimensionnelle (2-DE) reste la méthode la plus couramment utilisée pour des analyses protéomiques quantitatives dans la SMA, elle résout difficilement les protéines membranaires en raison de leur hydrophobicité, leur précipitation au point isoélectrique (pI) et leur faible abondance comparativement aux protéines cytosoliques. Donc peu nombreuses sont les protéines membranaires identifiées comme étant régulées en réponse à la symbiose. Afin d’avoir accès à cette catégorie de protéines et contourner les défauts de la 2-DE, l’application de nouvelles méthodes permet de réaliser des analyses quantitatives avec marquage chimique (comme l’iTRAQ) ou non (label-free). Dans ce contexte, deux méthodes de protéomique quantitative, iTRAQ-OFFGEL-CL-SM/SM et « label-free » 1-DE-CL-SM/SM, sont adoptées dans ce travail visant à identifier et quantifier les variations d’accumulation des protéines microsomales de racines de Medicago truncatula inoculées par Rhizophagus irregularis, préalable indispensable à l’analyse de leur rôle fonctionnel dans la SMA. Un protocole d’extraction donnant accès à des fractions radiculaires enrichies en protéines microsomales nécessaires pour les analyses ultérieures est décrit dans cette étude. En plus de l’analyse quantitative du protéome membranaire en réponse à la SMA, une approche méthodologique a été mise en place afin d’étudier l’impact du marquage iTRAQ sur le pI des peptides. / Arbuscular mycorrhizas (AM) are widespread symbiotic associations between plant roots and AM fungi. Deep membrane alterations are the foremost morphological changes occurring in the host plant in response to AM symbiosis. Two-dimensional gel electrophoresis (2-DE) is the workhorse method in AM proteomics. Membrane proteins are under-represented in 2-DE because of their hydrophobicity, low abundance, and precipitation at their isoelectric point, thereby few are the identified membrane proteins involved in sustaining the AM symbiosis. Membrane proteomics is still challenging due to 2-DE related shortcomings, however latest trends and advancements in mass spectrometry (MS)-based quantitative proteomics offer enormous potential to monitor membrane protein change in abundance in large scale experiments. In the current work microsomal proteins of Medicago truncatula roots inoculated with Rhizophagus irregularis were, for the first time, scrutinised by state-of-the-art MS-based proteomic approaches iTRAQ-OFFGEL-LC-MS/MS and label-free 1-DE-LC-MS/MS. The applied workflows combine two novel proteomic procedures, label-based and -free, targeting an insight view on the membrane proteome changes in AM symbiosis. A subcellular fractionation method is herein described to access the total membrane-associated proteins with sufficient recovery and purity for their subsequent in-depth analysis. In addition to the biological gain by shedding the light on candidate AM-related membrane proteins, a methodological approach was carried out in the present work in order to elucidate the iTRAQ labelling impact on peptide isoelectric points.

La symbiose à Rhizobia ainsi que la symbiose endomycorhizienne à arbuscules, présentes dans la rhizosphère, possèdent un intérêt agrobiologique et écologique majeur ; elles permettent aux plantes de croître naturellement sur un sol aride et peu fertile. Il a été démontré récemment que les signaux (facteurs « Myc ») impliqués dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne à arbuscules appartiennent à la famille des lipo-chitooligosaccharides. Une nouvelle synthèse du facteur de mycorhization [Myc-IV (C16:0, S)], le plus abondant et bioactif, a été effectuée en utilisant une stratégie de synthèse par blocs utilisant des méthodes robustes de glycosylation, le diméthyldioxirane pour l’ouverture oxydante régiosélective des acétals de benzylidène et l’emploi d’un thiol peu toxique et peu odorant pour former les donneurs thioglycosides. Étant donné la purification laborieuse par chromatographie sur gel de silice des oligosaccharides après les étapes de glycosylation, une nouvelle méthode utilisant des liquides ioniques supportés a été appliquée permettant de modifier les propriétés physico-chimiques des saccharides. Les produits sont purifiés par de simples lavages grâce à ce motif ionique présent en position anomérique. Le chitooligosaccharide (CO-IV), intermédiaire clef pour la synthèse de lipo-chiooligosaccharides non sulfatés d’intérêts ou de la TMG-chitotriomycin, a ainsi été obtenu. / Rhizobia symbiosis and arbuscular mycorrhiza symbiosis have an agrobiological and ecological interest because they allow plants to grow on aride and infertile soil. Recently, the symbiotic signals (« Myc factors ») were identified as a mixture of lipo-chitooligosaccharides (LCOs). The preparation of Myc factor [Myc-IV (C16:0, S)], the most abundant and bioactive, was carried out using a blockwise synthesis. Dimethyldioxirane for a regioselective oxidative cleavage of benzylidene acetals and an odorless and few toxic thiol to form thioglycoside donors were employed. To eliminate the laborious purifications of oligosaccharides by chromatography on silica gel after each glycosylation step, we developped an ionic liquid supported strategy. The ionic liquid part changes the physico-chimical properties of the expected product and we isolated the glycostructures by simple phase-extractions. The chitooligosaccharide (CO-IV), key intermediate for the synthesis of non-sulfated lipo-chitooligosaccharides or TMG-chitotriomycin, was obtained by this strategy.

Les symbioses bactérie-légumineuse (nodulation) et champignon-plante (mycorhization) présentent un intérêt agrobiologique et écologique majeur ; elles permettent aux plantes de croître naturellement sur un sol aride et peu fertile. Il a été démontré très récemment que les signaux impliqués dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne à arbuscule (facteurs "Myc") sont très proches de ceux de la nodulation. Il s'agit de molécules appartenant à la famille des lipo-chitooligosaccharides. Afin de réaliser la synthèse de ces molécules, deux nouvelles méthodologies ont été développées. L'ouverture oxydante d'acétals de 4,6-O-benzylidène de plusieurs glycopyranosides (en série gluco, galacto et manno) par le diméthyldioxirane (DMDO) a été étudiée. Le contrôle de la régiosélectivité a été effectué grâce au groupement protecteur introduit sur la fonction alcool de la position 3. La formation directe de β-glycosides de la N-acétyl-D-glucosamine par catalyse au triflate de fer (III) a été étudiée. La réaction a été menée sous irradiation micro-ondes ou en flux continu (système minifluidique Vapourtec®). Une nouvelle stratégie pour la synthèse du facteur [Myc-IV (C16:0, S)] a ensuite été établie. Nous avons utilisé un réactif peu toxique et non odorant pour introduire le motif thio nécessaire à la formation de deux liaisons glycosidiques. Le disaccharide précurseur de l'unité réductrice a été obtenu grâce à la première méthodologie développée au cours de cette thèse.

La symbiose mycorhizienne à arbuscules (MA) est une association bénéfique établie entre les membres d'un ancien sous-phylum de champignons, les Gloméromycètes, et les racines de la majorité des plantes terrestres. Les champignons MA procurent de l'eau et des minéraux (azote et phosphore principalement) à leur plante hôte et obtiennent de cette dernière des molécules carbonées sous forme d'hexoses et de lipides. Des études récentes ont montré que certaines protéines sécrétées par les champignons MA peuvent être des régulateurs importants de l'association (Kloppholz et al., 2011 ; Tsuzuki et al., 2016). Notre objectif était d'identifier de nouvelles protéines fongiques contribuant à la mise en place de la symbiose. Des protéines prédites pour être préférentiellement sécrétées par le champignon MA Rhizophagus irregularis dans les racines ont été identifiées au début de ma thèse (Kamel et al., 2017). Certaines d'entre-elles présentaient une structure ressemblant aux précurseurs de phéromones sexuelles d'Ascomycètes. Ces protéines sont connues pour être maturées dans les voies de sécrétion en petits peptides qui sont ensuite sécrétés. Leur reconnaissance par un récepteur couplé à la protéine G (GPCR) aboutit à la fusion cellulaire de deux types sexuels opposés. Dans le cas de R. irregularis, seule la reproduction clonale a été décrite, mais des données génomiques récentes remettent en question son statut d'organisme asexué (Ropars et al., 2016). Une grande partie de ma thèse a été dédiée à la caractérisation fonctionnelle de ce type de peptides chez R. irregularis. Nous avons montré que deux peptides étaient effectivement produits et sécrétés par R. irregularis. L'utilisation de peptides synthétiques nous a permis de mettre en évidence que l'un d'eux stimulait la colonisation de M. truncatula mais était également perçu par le champignon lui-même, induisant la transcription de son propre gène précurseur et d'un GPCR. Ce peptide stimulateur de la symbiose est composé de seulement trois acides aminés et il peut être produit à partir de trois précurseurs protéiques. Par des approches de génétique inverse (HIGS et VIGS), nous avons confirmé l'importance de ces précurseurs dans l'établissement de la symbiose.[...] / Arbuscular Mycorrhizal (AM) symbiosis is a beneficial association established between members of an ancient subphylum of fungi, the Glomeromycotina, and the roots of the majority of terrestrial plants. AM fungi provide water and minerals (mainly nitrogen and phosphorus) to their host plant in exchange for organic carbon in the form of hexoses and lipids. Recent studies have shown that certain proteins secreted by AM fungi are important symbiosis regulators (Kloppholz et al., 2011, Tsuzuki et al., 2016). Our aim was to identify new fungal proteins involved in the establishment of symbiosis. Proteins predicted to be preferentially secreted by the AM fungus Rhizophagus irregularis in the roots were identified at the beginning of my thesis (Kamel et al., 2017). We noticed that some of them had a structure resembling the sex pheromone precursors of Ascomycota. These proteins are known to be processed in the secretory pathway into small peptides which are then secreted. Their recognition by a G protein-coupled receptor (GPCR) leads to cell fusion of two opposite sex types. In the case of R. irregularis, only clonal reproduction has been described. However, recent genomic data question its status as an asexual organism (Ropars et al., 2016). A large part of my thesis was dedicated to the functional characterization of this type of processed peptides in R. irregularis. We show that two of them are actually produced and secreted by R. irregularis. Treatments with synthetic forms of these peptides revealed that one of them stimulated the colonization of M. truncatula but was also perceived by the fungus itself, inducing the transcription of its own precursor gene and of a GPCR gene. This symbiosis-stimulating peptide is composed of only three amino acids and can be produced from three different protein precursors. Using reverse genetics (HIGS and VIGS), we confirmed the importance of these precursors in the symbiosis establishment. [...]

La symbiose mycorhizienne à arbuscules, dont l’apparition est conjointe à celle des plantes terrestres il y a 460 millions d’années, est une association mutualiste à bénéfices réciproques qui s’instaure entre la plupart des plantes terrestres, y compris celles cultivées, et des microorganismes ubiquitaires du sol que sont les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA, phylum des Glomeromycota). Lors cette symbiose, le fort potentiel d’amélioration de la nutrition minérale des plantes, et donc de la production végétale, est un atout dans le contexte mondial actuel d’augmentation de la demande de la production agricole. Afin d’optimiser les services écosystémiques des CMA dans les écosystèmes et en particulier les agroécosystèmes, la maîtrise de cette symbiose en ingénierie écologique nécessite la compréhension des mécanismes complexes qui régissent la dynamique de cette symbiose dans ces écosystèmes. Pour cela, nous avons étudié la diversité des communautés et des populations de CMA dans les agroécosystèmes à différentes échelles spatiales et sous l’influence de différentes pratiques culturales par des techniques d’empreintes moléculaires: séquençage haut-débit et polymorphisme de longueur de fragments de restriction. Les résultats obtenus montrent que la structuration de la diversité des CMA est influencée par le type d’usage de sol (prairie vs. culture), les pratiques culturales (retournement du sol, fertilisation et système de culture) ainsi que par les facteurs abiotiques (e.g. pH du sol). En conclusion, ces différents facteurs sont à prendre en compte dans l’optimisation des services écosystémiques des CMA. / The arbuscular mycorrhizal symbiosis, which appeared at the same time as land plants, 460 million years ago, is a mutualistic beneficial association between most land plants, including those cultivated, and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). AMF, from the Glomeromycota phylum, are widespread soil microorganisms needing a photosynthetic host to complete their life cycle (obligate symbionts). The great potential of plant mineral nutrition improvement and crop production increased during this symbiosis, make AMF an asset in the context of an increase in the demand of world food crop production. The control of that symbiosis by ecology engineering in order to improve ecosystem services, especially in agroecosystems, needs to better understand the mechanisms regulating its dynamic. Therefore, we studied community and population diversity of AMF under influences of different agricultural practices at several spatial scales using genetic fingerprinting methods: high-throughput sequencing and restriction fragment length polymorphism. Results show that AMF diversity is structured by land use type (grassland vs. arable fields), cultural practices (soil disturbance, fertilizations, culturing systems) as well as environmental factors (e.g. soil pH). In conclusion, those different factors have to taken in account in AMF ecosystemic service managing.

La symbiose mycorhizienne à arbuscule est une interaction bénéfique entre les champignons du phylum Glomeromycota et près de 80% des espèces de plantes terrestres. Elle est caractérisée par un échange réciproque de nutriments dans lequel le champignon fournit des sels minéraux à la plante en échange de sucres issus de la photosynthèse. Cependant, cette "alimentation" du champignon au cours de la symbiose représente un coût carbone important pour la plante. Ainsi, les plantes doivent strictement maitriser le développement des champignons symbiotiques dans les racines. Ce contrôle est appelé autorégulation. Plusieurs protéines ont été démontrées comme étant importantes pour la régulation des différentes étapes de la colonisation : la stimulation de la croissance fongique dans la rhizosphère par les strigolactones, l'entrée dans les racines, la prolifération des hyphes au sein des racines et la formation des arbuscules. Dans ce travail, nous avons examiné plus en détail le rôle de deux de ces protéines connues pour être impliquées dans le processus de mycorhization, les facteurs de transcription NSP1 et NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). Nous avons d'abord pu confirmer dans les racines de M. truncatula en conditions non-symbiotiques, l'implication directe de NSP1 dans la régulation de deux gènes de biosynthèse des strigolactones, DWARF27 (D27) et MORE AXILLARY GROWTH (MAX1). Ensuite, nous avons montré que NSP1, contrairement à NSP2, favorise l'entrée du champignon dans la racine, sans doute due à l'induction de la synthèse des strigolactones stimulant le champignon, via l'activation de D27 et de MAX1. Ensuite, au cours des étapes ultérieures de la mycorhization, nous avons montré que dans les tissus colonisés, NSP1 est absent et que l'induction de D27 et de MAX1 n'était plus NSP1 dépendante. À cette étape, l'expression de la protéine NSP1 est localisée dans les cellules justes en amont du front de colonisation fongique. Là, elle contrôle négativement la propagation des hyphes dans la racine et positivement la formation des arbuscules. En revanche, NSP2 est présente dans le tissu colonisé où elle favorise la propagation des hyphes et le développement des arbuscules, peut-être en interaction avec d'autres facteurs. Nous avons également montré chez M. truncatula que si les protéines NSP1 sont absentes des tissus colonisés, les transcrits de NSP1 sont présents. De façon inattendue, nous avons mis en évidence que l'ARN messager de NSP1 avait la capacité de protéger l'ARN messager de NSP2 contre sa dégradation par le microARN (miR171h), par une action de piégeage du miR171h, appelé effet mimicry. Ceci est la première démonstration qu'une molécule d'ARN codante peut être la cible mimétique d'un microARN. Dans notre contexte d'étude cette constatation révèle que les transcrits de NSP1 permettent une régulation positive de l'expression de NSP2, et met en lumière un niveau de complexité supplémentaire dans le rôle de ces deux facteurs de transcription dans la symbiose mycorhizienne. Enfin, dans la tomate, nous avons montré que Sl-NSP1 pourrait être directement ou indirectement régulée par une protéine AUX / IAA impliquée dans la réponse précoce à l'auxine, Sl-IAA27. Ce lien avec l'auxine nous fait présumer que cette AUX/AAI est un nouveau composant de la voie de signalisation du contrôle de la colonisation fongique dans la tomate, et nous proposons qu'il puisse avoir un rôle dans le contrôle de la biosynthèse des strigolactones via la régulation de Sl-NSP1. L'ensemble de ce travail fournit de nouvelles pièces du puzzle constituant la symbiose mycorhizienne et montre l'importance de l'analyse des régulations spatiotemporelles pour une meilleure compréhension de ces processus biologiques extrêmement complexes. / The arbuscular mycorrhiza (AM), a symbiosis between fungi from the phylum Glomeromycota and nearly 80% of terrestrial plant species. It is characterized by a two-way exchange in which the fungus provides mineral nutrients to the plant in exchange for carbohydrates. However this "feeding" of the fungus during the symbiotic process represents a significant carbon cost for the plant. To maintain a mutualistic interaction the two symbiotic partners have to strictly control the extent of fungal development in the roots. This control is called autoregulation. Several proteins have been found to be important for the regulation of the different mycorrhizal steps: the stimulation of fungal growth in the rhizosphere by the strigolactones, the fungal entrance in the roots, the hyphal proliferation in the roots and the arbuscule formation. In this work we examine in more detail the role of two of these proteins known to be involved in the mycorrhization process, the transcriptional factors NSP1 and NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). We first confirm in M. truncatula roots the direct implication of NSP1 in the regulation of two strigolactone biosynthesis genes, DWARF27 (D27) and MAX1, during the asymbiotic conditions. Then, we show that NSP1, unlike NSP2, is a factor that promotes the fungal entries in the root, presumably due to its activation of D27 and MAX1 resulting in a stimulation of strigolactone synthesis and presymbiotic fungal growth. Next, during the later stages of mycorrhization, we highlight that in the colonized tissues NSP1 is absent and the induction of both D27 and MAX1 is not anymore NSP1 dependent. NSP1 protein is then localized in cells which are not yet colonized but are close to a colonization zone. There, it controls negatively the hyphal propagation in the root and positively the formation of arbuscules. In contrast, NSP2 is present in the colonized tissue where it promotes hyphal propagation and arbuscule development, perhaps by interacting with other proteins. We also show that if NSP1 proteins are absent of the colonized tissues, NSP1 transcripts are present. Unexpectedly, we unveil that in those colonized cells, NSP1 mRNA can protect, by a micro RNA (miR171h) decoy action called target mimicry, NSP2 mRNA against miR171h-mediated degradation. This is the first demonstration that a coding RNA molecule can be a target mimic for a microRNA. In our context this finding reveals a positive regulation of NSP2 expression by NSP1 transcripts and brings to light an additional layer of complexity in the mycorrhizal dual role of these two transcription factors. Finally, in tomato, we highlight that SlNSP1 could be directly or indirectly regulated by the AUX/IAA protein, SlIAA27. As a link with auxin we presume that this AUX/IAA protein is a new component of the signaling pathway controlling AM fungal colonization in tomato, and we propose that it controls strigolactone biosynthesis via the regulation of SlNSP1. Overall our work provides new pieces of the mycorrhizal puzzle and shows how important it is to perform spatiotemporal investigations for a better understanding of highly integrated and complex biological processes.

Les symbioses bactérie-légumineuse (nodulation) et champignon-plante (mycorhization) présentent un intérêt agrobiologique et écologique majeur ; elles permettent aux plantes de croître naturellement sur un sol aride et peu fertile. Il a été démontré très récemment que les signaux impliqués dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne à arbuscule (facteurs "Myc") sont très proches de ceux de la nodulation. Il s'agit de molécules appartenant à la famille des lipo-chitooligosaccharides. Afin de réaliser la synthèse de ces molécules, deux nouvelles méthodologies ont été développées. L'ouverture oxydante d'acétals de 4,6-O-benzylidène de plusieurs glycopyranosides (en série gluco, galacto et manno) par le diméthyldioxirane (DMDO) a été étudiée. Le contrôle de la régiosélectivité a été effectué grâce au groupement protecteur introduit sur la fonction alcool de la position 3. La formation directe de β-glycosides de la N-acétyl-D-glucosamine par catalyse au triflate de fer (III) a été étudiée. La réaction a été menée sous irradiation micro-ondes ou en flux continu (système minifluidique Vapourtec®). Une nouvelle stratégie pour la synthèse du facteur [Myc-IV (C16:0, S)] a ensuite été établie. Nous avons utilisé un réactif peu toxique et non odorant pour introduire le motif thio nécessaire à la formation de deux liaisons glycosidiques. Le disaccharide précurseur de l'unité réductrice a été obtenu grâce à la première méthodologie développée au cours de cette thèse. / Arbuscular mycorrhiza (AM) is a root endosymbiosis between plants and fungi. It has an agrobiological interest and a crucial ecological importance because it allows plants to grow on aride and infertile soil. Recently, the structure of the symbiotic signal "Myc factor" was identified as a mixture of lipochitooligosaccharides (LCOs). In order to propose a new synthesis of LCOs, we developed two green methodologies in glycochemistry. We performed the oxidative cleavage of 4,6-O-benzylidene acetals of various glycopyranosides (gluco, manno and galacto series) with dimethyldioxirane (DMDO) and its regioselective control with a suitable protecting group at position 3. We investigated the formation of β-glycoside of N-acetyl-D-glucosamine using catalytic iron (III) triflate. The reaction can be performed using microwave irradiation or, for scale-up synthesis, flow chemistry using Vapourtec® minifluidic system. We establish a new strategy for the total synthesis of the most abundant Myc factor [Myc-IV (C16:0, S)]. We used odorless and few toxic MbpSH reagent to introduce the activated thio residue involved in two glycosylation reactions. The disaccharide acceptor precursor of the reducing end was obtained after oxidative cleavage of the 4,6-O-benzylidene moiety by DMDO.