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.

Les couvertures végétales herbacées peuvent être utilisées non seulement pour revégétaliser les sols mis à nu, mais aussi pour contrer l’établissement d’arbres dans des écosystèmes naturels et semi-naturels. Cependant, la sélection des espèces permettant de composer des mélanges efficaces soulève des difficultés importantes encore aujourd’hui. De plus, garantir que les mélanges herbacés les plus efficaces dans une expérience de diversité peuvent être transposés dans des conditions réelles est un autre défi soulevant de l’incertitude lors de la mise en œuvre d’un plan de revégétalisation. La prise en compte des mécanismes spatiaux, abiotiques et biotiques est également cruciale pour comprendre comment les couvertures herbacées et les espèces ligneuses interagissent. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse fut d'améliorer le choix des espèces herbacées et d'approfondir notre compréhension des mécanismes biotiques, abiotiques et spatiaux impliqués dans l'inhibition des espèces ligneuses. Le premier objectif de cette thèse fut d'examiner la contribution de la composition et de la diversité (taxonomique et fonctionnelle) des espèces herbacées à l'établissement de deux espèces ligneuses indigènes, Acer rubrum et Betula populifolia, sur une période de trois ans. Le deuxième objectif fut d'évaluer l'efficacité de mélanges herbacés contenant Achillea millefolium et Solidago canadensis dans des conditions réelles de terrain pour contrer l'établissement d'espèces ligneuses (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), tout en tenant compte de facteurs locaux tels que les propriétés du sol, l'espace et la diversité alpha (taxonomique, fonctionnelle et phylogénétique) de la communauté herbacée résidente. Le troisième objectif fut d'élucider la relation entre les mycorhizes à arbuscules (MA) et le fitness des semis d'Acer rubrum. Ce dernier objectif comprenait également l'évaluation de l'influence sur le fitness des semis d'Acer rubrum de plusieurs facteurs, tels que les mélanges d’herbacées initiaux, l'abondance de la couverture, les propriétés du sol, ainsi que la densité et la richesse des couvertures végétales au sol et en surface. Pour atteindre ces objectifs, nous avons réalisé trois expériences : une expérience de diversité en conditions contrôlées dans une friche régulièrement fauché, une expérience de diversité en conditions de terrain et une expérience de rétroaction plante-sol en serre. Nos résultats ont mis en évidence que, dans des conditions contrôlées, les mélanges diversifiés et certaines espèces telles que Achillea millefolium et Solidago canadensis sont les moteurs d'une plus grande efficacité dans la prévention de l'établissement des arbres (c'est-à-dire Acer rubrum et Betula populifolia). Cependant, dans des conditions réelles de terrain et sur différentes espèces ligneuses colonisatrices (Acer negundo, Robinia pseudoacacia et Rhamnus cathartica), une revégétalisation réussie nécessite de prendre en compte à la fois l'efficacité des mélanges dans des conditions idéales et leur polyvalence écologique. Nos principales conclusions ont également mis en évidence que l'abondance relative des champignons mycorhiziens influençant la performance des semis d’Acer ne peut pas être prédite ni par les propriétés du sol ni par la structure de la communauté herbacée sur le terrain. En plus, certains mycorhizes à arbuscules (Dominikia sp. et Ambispora sp.) peuvent être liées à des effets négatifs sur les espèces ligneuses (Acer rubrum). En résumé, les trois projets de recherche présentés dans cette thèse ont permis d'identifier des mécanismes écologiques pertinents affectant les espèces ligneuses tels que l'identité des espèces herbacées considérées dans les mélanges, le rôle de la versatilité écologique des espèces herbacées, l'influence de mécanismes multiples, ainsi que le rôle des champignons mycorhiziens. Les résultats de cette thèse sont sujet, évidemment, à certaines limitations expérimentales et méthodologiques à prendre en compte dans l’éventualité d’une utilisation en conditions réelles ou lors de travaux de recherche futures. Les recherches futures pourraient par exemple explorer ces limites et identifier des mécanismes supplémentaires pour améliorer l'efficacité des efforts de revégétalisation dans des contextes de revégétalisation écologique. / Herbaceous plant covers can be used not only to revegetate bare soil but also to inhibit tree encroachment in many managed and semi-natural grasslands. However, selecting the right species to build effective mixtures has posed challenges until now. Defining if the most effective herbaceous mixtures in diversity experiments can be applied in real field conditions and over different woody species is even another challenge posing incertitude in a revegetation plan. Addressing spatial, abiotic, and biotic mechanisms is also crucial to understanding how herbaceous covers and woody species interact. Taking this into account, the main objective of this thesis was to improve the choice of herbaceous species and to deepen our understanding of the biotic, abiotic and spatial mechanisms involved in the inhibition of woody species. The first objective of this thesis was to examine the contribution of herbaceous species composition and diversity (taxonomic and functional) against the establishment of two native woody species, Acer rubrum and Betula populifolia, over 3 years. The second objective was to evaluate the efficacy of herbaceous mixtures containing Achillea millefolium and Solidago canadensis under real field conditions to suppress woody establishment (Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), while considering local factors such as soil properties, space and alpha diversity (taxonomic, functional and phylogenetic) of the resident herbaceous community. The third objective was to unravel the relationship between arbuscular mycorrhiza fungi (AMF) and Acer rubrum seedling fitness. This objective also included the evaluation of the influence of several factors on Acer rubrum seedling fitness, such as initial treatments, cover abundances, soil properties, as well as the density and richness of ground and surface vegetation covers. To tackle these objectives, we carried out three experiments: a diversity experiment under controlled conditions in a regularly mown old field, a diversity experiment under field conditions, and a greenhouse plant-soil feedback experiment. Our results highlighted that, in controlled conditions, diversified mixtures and certain species such as Achillea millefolium and Solidago canadensis as drivers of higher efficiency in preventing tree establishment (i.e. Acer rubrum and Betula populifolia). Yet, in real field conditions and over different woody species colonizers (i.e., Acer negundo, Robinia pseudoacacia and Rhamnus cathartica), successful revegetation requires considering both mixture effectiveness in ideal conditions and their ecological versatility. Our key findings also highlighted that the relative abundance of mycorrhizal fungi influencing the performance of Acer seedlings cannot be predicted by either soil properties or the structure of the herbaceous community in the field. Additionally, certain arbuscular mycorrhiza (i.e., Dominikia sp. and Ambispora sp.) can be linked to negative effects on woody species (i.e., Acer rubrum). In summary, the three research projects presented in this thesis allowed the identification of relevant ecological mechanisms affecting woody species such as the identity of the herbaceous species considered in the mixtures, the role of the ecological versatility of herbaceous species, the influence of multiple mechanisms, as well as the role of mycorrhizal fungi. The results of this thesis have experimental and methodological limitations that must be considered when used in real-life conditions or future research. Further research could explore these limitations and identify additional mechanisms to improve the effectiveness of revegetation efforts in ecological contexts.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts. / The association between arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant roots is one of the most widespread symbioses involving plants, and thus has an important role in terrestrial ecosystems. In exchange for carbohydrates, AMF improve plant fitness by enhancing mineral nutrient uptake, especially in particular phosphate and nitrate. Although this symbiosisDespite the fact that these symbioses contribute provides to important services toin ecosystems, the species richness, community structure and functional diversity of AMF is not well understood due to a lack of reliable molecular tools. The intra-isolate genetic polymorphism of nuclear DNA observed in AMF, combined with a lack of genomic data in a broad range of phylogenetic groups, has made it difficult to develop molecular markers and to determine evolutionary relatedness at high levels of resolution (i.e. between genetically-similar species and/or isolates). For these reasons, it seems a good alternative to use a different genetic system by targeting the mitochondrial genome, which have been shown to be homogeneous within AMF isolates. However, given the peculiar lifestyle of these organisms, a better understanding of the mitochondrial evolutionary processes and dynamics were is necessary in order to validate the usefulness of such markers in diversity and population genetics studies. In that regard, the objectives of my PhD project were to investigate: i) the divergence between closely related species and isolates, ii) mitochondrial genomes plasticity, iii) mitochondrial heritability and potential segregation mechanisms and iv) in situ mitochondrial intra-isolate allelic diversity. With Using comparative mitochondrial genomics using and next generation sequencing (NGS) sequencing, we found substantial sequence variation in intergenic regions caused by the invasion of mobile genetic elements. This variation gives risecontributes to rapid mitochondrial genome evolution among closely related isolates and species, which makes it possible to design reliable intra- and inter-specific markers. Also, an extensive gene similarity network-based approach allowed us to provide strong evidence of inter-haplotype recombination in AMF, leading to a reshuffled mitochondrial genome. These findings suggest the coexistence of distinct mtDNA haplotypes in natural populations and raise questions as to whether AMF single spore cultivations artificially underestimates mitochondrial genetic diversity in natural population.. This apparent contradiction with the intra-isolate mtDNA homogeneity usually observed in these fungi, led to the investigation of mitochondrial heritability in the spore progeny resulting from crossed-cultures. Although an heteroplasmic state was observed in some daughter spores, we found that homoplasmy was the dominant state in all monosporal cultures, with an apparent bias towards one of the parental haplotypes. These results strongly support the presence of a putative mitochondrial segregation proteic machinery in AMF, whose complete set of genes were orthologous with those found in other fungi. Our findings suggest that segregation takes place either during spore formation or colony mycelium development. Finally, we performed a conventional PCR based approach with a high fidelity Taq polymerase, followed by downstream cloning and Sanger sequencing using the model organism Rhizophagus irregularis. We found in situ heteroplasmy along with substantial intra-isolate allelic variation within the mtDNA that persists in the transcriptome. Our study also suggest that genetic variation in Glomeromycota is higher than meets the eye and might be critically underestimated in most NGS based-AMF studies both in nuclei and mitochondria.

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