Les plantes vivent en association avec une grande diversité de microorganismes qui forment son microbiota. Ce microbiote fournit des fonctions clés qui influencent tous les aspects de la vie d'une plante, de l'établissement à la croissance jusqu'à la production. Cette thèse a pour intention de déterminer les règlent d'assemblage du microbiote et ses conséquences pour le phénotypel l'adaptation et l'évolution des plantes. Pour atteindre cet objectif nous avont utilisé différentes approches expérimentales comprenant des plantes clonales comme organismes modèles ainsi que des mésocosmes prairiaux pour analyses à l'échelle des communautés. Nos résultats ont démontré i) que les Champignons Mycohiziens à Arbuscules induisent d'important es variations phénotypiques pour les traits des plantes clonales impliqués dans l'exploration de l'espace et l'exploitation des ressources. Ces changements dépendent de l'identité des symbiontes et altèrent les capacités des plantes à développer des réponses plastiques à l'hétérogénéité environnementale. ii) Les plantes ont évolué un méchanisme permettant la transmission d'une partie de leur microbiote a leur descendance, assurant la qualité de leur habitat. iii) Le contexte spécifique des communautés de plantes est un facteur majeur structurant l'assemblage du microbiota des plantes à échelle locale. L'abondance de certaines espèces de plante dans le voisinage d'une plante cible augmente ou diminue la diversité de son microbiote, déterminant in fine ses performances. De manière générale, cette thèse démontre l'importance des organismes symbiotiques dans la compréhension de l'adaptation et de l'évolution des plantes. / Plants live in association with a wide diversity of microorganisms forming the microbiota. The plant microbiota provides a variety of key functions that influence many aspects of plant's life comprising establishment, growth and reproduction. The present thesis aims at determining the assembly rules of the plant microbiota and its consequences for plant phenotype, adaptation and evolution. To fulfill this objective, we used different experimental approaches using either clonal plants as model organisms or grassland mesocosms for community-wide analyses. Our results demonstrated i) that Arbuscular Mycorrhizal Fungi induce important phenotypic variations in clonal plants traits involved in space exploration and resources exploitation. These changes depended on the identity of the symbionts and altered the plants ability to produce plastic responses to environmental heterogeneity. ii) Plants have evolved a mechanism allowing the transmission of a part of their microbiota to their progeny, ensuring thus their habitat quality. iii) The plant community context is a major factor structuring local plant microbiota assembly. Particular plant species identity in the neighborhood increase or decrease the microbiota diversity and ultimately determine the focal plant performance. This thesis overall demonstrates the importance of symbiotic microorganisms in the understanding of the plant adaptation and evolution. From the knowledges acquired we developed a novel understanding of symbiotic interactions in clonal plants by extending the holobiont theory to the meta-holobiont theory.

La phytoremédiaton assistée par les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) compte parmi les méthodes émergentes de remédiation des sols pollués en raison de son adéquation avec le développement durable. Cette phytotechnologie présente un intêret à la fois dans la protection des plantes contre la phytotoxicité des polluants organiques tels que les hydrocarbures et dans leur dissipation. Cependant, son efficacité reste à prouver dans les sols historiquement multi-pollués. De plus, les mécanismes de dégradation et de tolérance mis en oeuvre par la symbiose mycorhizienne sont peu connus. Ainsi, ce travail de thèse avait pour premier objectif d'étudier chez les partenaires symbiotiques Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivés in vitro, l'expression de gènes potentiellement impliqués dans la tolérance au benzo[a]pyrène (B[a]P), un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) de haut poids moléculaire fréquemment détecté dans les sols pollués. Pour cela, les expressions de gènes codant pour des enzymes antioxydantes, de détoxification des polluants et de réparation de l'ADN ont été mesurées par PCR quantitative en temps réel. Nos résultats ont montré une corrélation positive entre l'induction des systèmes antioxydants au niveau génique et enzymatique et la production d' H₂O₂ induite par l'accumulation de B[a]P dans les racines non mycorhizées et le CMA. En revanche, lorsque les racines sont colonisés par le CMA, celui-ci agirait comme une barrière physique en limitant l'accumulation de B[a]P et la production d'H₂O₂ dans les racines, et provoquerait la répression des systèmes antioxydants racinaires. Le second objectifs de cette thèse a consisté à évaluer l'apport d'un amendement mycorhizien dans la dégradation de deux types d'hydrocarbures : les HAP et les alcanes, présent dans un sol historiquement multi-pollué (site de l'Union). L'étude a été conduite en microcosmes en présence de blé (Triticul aestivum) inoculé ou non par R. irregularis. Une contribution positive de cette inoculation dans la biodégradation des hydrocarbures après 16 semaines de culture a été démontrée. Cette meilleure dégradation serait liée notamment à la stimulation de la microflore bactérienne du sol mais également aux capacités métaboliques de la plante. / Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-assisted phytoremediation is one of innovative method for the remediation of polluted soils due to its relevance to sustainable development. This phytotechnology presents benefits both in the protection of plants against the phytotoxicity of organic pollutants such as hydrocarbons and in their dissipation. However, its efficiency remains to be proved in the aged multi-polluted soils and the mechanisms of degradation and tolerance implemented by the mycorrhizal symbiosis are poorly known. Thus, the thesis aims firstly to study in the symbiotic partners Medicago truncatula/Rhizophagus irregularis cultivated in vitro, the expression of genes potentially involved in the tolerance to benzo[a]pyrene (B[a]P), a high molecular weight polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) frequently detected in polluted soils. Expressions of genes encoding for antioxidant, pollutant, detoxification and DNA repairing enzymes were measured by real time PCR. Our results showed a positive correlation between the induction of antioxidant systems (genes and enzymes) and the production of H₂O₂ induced by the accumulation of B[a]P in non-mycorrhizal root and the AMF. In contrast, when the roots are colonized by the AMF, this one would act as a physical barrier limiting the accumulation of B[a]P and H₂O₂ production of in the roots and would cause the repression of root antioxidant systems. The second objective of the thesis consisted of evaluating the contribution of the arbuscular mycorrhizal amendment in the degradation of two types of hydrocarbons : the PAH and the alkanes, present in an aged multi-polluted soils (site of Union). The study was carried out in microcosms in the presence of non-inoculated or inoculated wheat (Triticul aestivum) by R. irregularis. A positive contribution of the mycorrhizal inoculation in the hydrocarbon biodegradation after 16 weeks of culture was demonstrated. This better degradation is related especially to the simulation of the bacterial microflora but also to the plant metabolic abilities.

La thèse porte sur l'impact de changements globaux sur la diversité taxonomique et fonctionnelle des champignons du sol. L'impact de l'intensification agricole sur les champignons mycorhiziens à arbuscules a été évalué par comparaison des communautés fongiques présentes sur des sites Européens soumis à différents niveaux d'intensification dans l'usage des terres. La diversité taxonomique a été appréciée par « métabarcoding » sur l'ADN de sol. L'effet de l'intensification apparait lié au contexte local. L'adaptation aux conditions environnementales locales ainsi que des processus stochastiques semblent jouer un rôle important dans le modelage des communautés fongiques. L'effet des changements climatiques en zone Méditerranéenne a été évalué sur les sols d'un site expérimental où une réduction de la pluviométrie a été établie. Nous avons réalisé une approche de séquençage haut débit de 4 familles géniques, 3 d'entre elles codant des enzymes actives sur la biomasse végétale. La date d'échantillonnage, et non la réduction de pluviométrie, a un fort impact sur la diversité béta. Nous formulons l'hypothèse que les communautés fongiques présentes sur des sites soumis à de fortes et récurrentes variations climatiques ont développé des stratégies adaptatives leur conférant une résistance à des variations d'une plus forte intensité. Enfin, une technique indépendante de la PCR (« solution hybrid selection capture ») a été adaptée pour étudier la diversité fonctionnelle des communautés eucaryotes à partir d'ARN de sol. Cette approche, testée sur une famille génique codant des endoxylamases a permis l'isolement d'ADNc complets produisant des enzymes fonctionnelles dans la levure / In this thesis we assessed the impact of two drivers of global change on the taxonomic and functional diversity of soil fungi. The impact of changes in land use on symbiotic Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) was evaluated comparing AMF communities from European sites with different levels of land use intensification. AMF taxonomic diversity was assessed by metabarcoding using soil-extracted DNA. The effect of land use intensification was found to be context-dependent. Adaptation to local environmental conditions and stochastic processes may play important roles in shaping these communities. The effect of climate change in the Mediterranean area was assessed in soils collected from an experimental forest where a rainfall reduction experiment had been established. A parallel high-throughput metabarcoding on soil-extracted RNA was performed on four transcribed fungal genes, 3 of them encodind enzymes involved in plant biomass degradation. Analyses indicated that sampling time had a strong impact on beta-diversity indices, while rainfall reduction had not. We hypothesized that microbial communities present in environments which naturally experience strong and recurrent climatic variations have developed adaptive strategies to cope with these variations and may be to some extent resistant to further climate changes. Finally, an original PCR-independent technique (“solution hybrid selection capture”) was adapted to study the functional diversity of eukaryotic microbial communities using soil RNA. The approach, tested on an endoxylanase gene family, allowed the efficient recovery of full-length cDNA which could be expressed as functional proteins in yeast

L'objectif de cette thèse est de contribuer à faire progresser les connaissances sur les interactions bénéfiques entre les plantes et les microorganismes en évaluant la contribution des systèmes de sécrétion de type III (SST3). Une synthèse des connaissances disponibles relatives aux SST3 chez les Pseudomonas non pathogènes, saprotrophes ou mutualistes, présentée chapitre I, montre que les SST3 ne sont pas cantonnés aux interactions parasites ou pathogènes avec les plantes. Dans l’étude expérimentale présentée chapitre II, nous avons utilisé différents génotypes de Medicago truncatula Gaertn. cv. Jemalong capables (Myc+) ou non (Myc-) d’établir une symbiose mycorhizienne. Ce travail nous a permis de montrer que les Pseudomonas spp. fluorescents possédant un SST3 (SST3+) sont préférentiellement associés aux racines mycorhizées des génotypes Myc+ de M. truncatula (J5 et TRV48) plutôt qu’aux racines du mutant Myc- (TRV25) et au sol nu. Ainsi, la plante seule n’est pas à l’origine de la présence accrue des Pseudomonas SST3+. La colonisation de la racine par les champignons mycorhizogènes à arbuscules (CMA), le développement du mycélium intraradiculaire et/ou la formation associée d’arbuscules, sont également déterminants. Dans l’étude présentée chapitre III, nous avons comparé les effets de la souche modèle promotrice de mycorhization (MHB) P. fluorescens C7R12 (SST3+) et de son mutant C7SM7 (SST3-), sur la mycorhization et la croissance de M. truncatula dans un sol non stérile. Ce travail a permis de montrer que le SST3 de C7R12 contribue à l’effet MHB de la bactérie. La promotion de la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA indigènes induite par le SST3 de C7R12 s’est traduite par une amélioration de la croissance de la plante. En revanche, l’inactivation du SST3 chez C7SM7 a eu un impact délétère sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA du sol étudié et sur la croissance de la plante. L’observation d’effets quantitatifs opposés entre C7R12 et C7SM7, nous a conduits à nous interroger sur l’existence d’un effet différentiel de l’inoculation de ces bactéries sur la structure et la diversité des communautés des microorganismes associés. Dans une étude présentée chapitre IV, le suivi dynamique en parallèle de la structure des communautés totales bactériennes (B-RISA) et fongiques (F-RISA) et de la colonisation de la racine par les CMA a été réalisée. Aucun effet de l’inoculation n’a été observé sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère ou des racines. En revanche, la structure des communautés bactériennes a varié selon que les plantes aient été inoculées ou non et selon la souche inoculée. Néanmoins, ces différences ont été observées plusieurs semaines après les effets de l’inoculation de C7R12 ou de C7SM7 sur la colonisation de la racine par les CMA. Ce décalage dans le temps, suggère que les différences observées dans la structure des communautés bactériennes pourraient être une conséquence plutôt qu’une cause des variations observées sur la mycorhization de M. truncatula. Nos résultats n’ont pas permis de mettre en évidence d’effets de l’inoculation sur la diversité des populations des bactéries fixatrices d’azote présentes dans les nodosités de M. truncatula. L’analyse des séquences de la grande sous-unité de l’ADN ribosomique (LSU rDNA) amplifiées à partir d’ADN extrait des racines, a montré pour les plantes inoculées et non inoculées, que les populations de CMA étaient majoritairement apparentées à Glomus intraradices. Un groupe d’isolats spécifiquement associé aux racines inoculées avec C7R12 et apparenté à G. claroideum a été décrit. Le groupe spécifique pourrait être associé à l’amélioration de la mycorhization observée dans les racines inoculées avec C7R12. Néanmoins, compte tenu de sa faible représentation numérique (8%), il semble probable que l’inoculation de C7R12 ait aussi un effet quantitatif sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA. etc / No abstract

Dans la province du Haut-Katanga, en République démocratique du Congo (RD Congo), une forte pression anthropique est exercée sur la forêt claire (FC, Miombo) par l’agriculture et la demande accrue en charbon de bois, due à la croissance démographique. La restauration de la FC dégradée est devenue essentielle pour renverser cette régression et gérer durablement la FC. L’objectif principal de cette thèse était d’étudier la croissance de semis et le potentieldes champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). Elle avait pour objectifs spécifiques:(i) d’évaluer la croissance et le statut mycorhizien des espèces forestières de la FC, en lien avec le statut de succession, espèces pionnières (EP) et tardives (ET); (ii) de déterminer le potentiel d’inoculum mycorhizien arbusculaire (PIMA) dans la FC dégradée; et (iii) de décrire la communauté des CMA, associés à un arbre forestier à usage multiple (Pterocarpustinctorius Welw ou Mninga maji en Swahili, Mukula en Bemba).D’abord, la croissance des semis a été évaluée, pour deux espèces d’arbres pionnières(Combretum collinum et Pterocarpus tinctorius) et six espèces tardives (Brachystegiaboehmii, B. longifolia, B. spiciformis, B. wangermeana, Julbernardia globiflora et J.paniculata), 1, 2 et 4 ans après la plantation. Ensuite, le PIMA a été évalué par le piégeage des plantules de Crotalaria juncea dans la FC dégradée. La relation entre le PIMA et les indices de végétation a été établie avec les modèles linéaires généralisées mixtes (MLGM)et les régressions linéaires. En dernier lieu, la diversité et la structure de la communauté des CMA des racines de P. tinctorius ont été caractérisées dans les jachères agricoles et forestières de trois sites, par amplification, clonage du gène 28S de la grande sous-unité(LSU) de l’ADN ribosomal et le séquençage Sanger. Les résultats montrent que les espèces forestières pionnières (EP, Chipya) avaient une croissance précoce et une productivité 3 à 40 fois supérieure comparées aux ET (typique du Miombo). Les espèces pionnières étaient colonisées par les CMA, alors que les espèces tardives l’étaient par les ectomycorhizes. Par ailleurs, la densité des arbres des EP influence positivement le PIMA, particulièrement les légumineuses ligneuses agissant en synergie avec l’abondance des herbacées annuelles. Par leur colonisation mycorhizienne élevée, les légumineuses ligneuses seraient les plantes refuges des CMA. Finalement, une diversité moléculaire de 30 unités taxonomiques opérationnelles (UTOs) des CMA était associée à P.tinctorius (une des légumineuses ligneuses mycotrophes), dans les friches agricoles et forestières de trois sites étudiés. La richesse spécifique et la structure de la communauté des CMA étaient influencées par la densité des espèces ligneuses, colonisées par les CMA, équitablement réparties dans les espèces végétales. De plus, la communauté des CMA était dominée par les espèces du genre Rhizophagus et Sclerocystis, qui étaient fortement associées à certaines propriétés chimiques du sol (pH, acidité, Al et Fe total) et à la densité de quelques arbres. Ainsi, les résultats mettent en évidence une variabilité de la croissance et de la biomasse en fonction du statut de succession (groupes écologiques). Aussi, le PIMA et la communauté des CMA étaient contrôlés par la densité des arbres et quelques propriétés du sol. Nous suggérons la reforestation de la forêt claire dégradée avec les espèces indigènes (P.tinctorius, B. spiciformis et C. collinum), en plantations mono spécifiques ou en régie agroforestière avec les cultures vivrières. / In the Katanga province, Democratic Republic of the Congo (DR Congo), the anthropogenic pressure is exerted on the Miombo woodland (MW) with the expansion of the agricultural lands and the increased demand for charcoal, due to the demographic growth. The restorationof agricultural and forest fallows has become essential to reverse this decline and sustainably manage the degraded MW. The main objective of this thesis was to study the development of seedlings and the potential of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) in the MW of UpperKatanga, DRC. Its specific objectives were to: (i) assess the development and mycorrhizalstatus of MW species, with respect to their successional status (early (ES) or late (LS) tree species); (ii) determine the arbuscular mycorrhizal inoculum potential (AMIP) in degradedMW; and (iii) describe the diversity and community structure of AMF associated with amultipurpose forest tree (Pterocarpus tinctorius Welw also named Mninga maji in Swahili,Mukula in Bemba).First, the development of the seedlings was evaluated, for two pioneer tree species(Combretum collinum and P. tinctorius) and six late species (Brachystegia boehmii, B.longifolia, B. spiciformis, B. wangermeana, Julbernardia globiflora and J. paniculata), 1, 2and 4 years after planting. Then, the AMIP was estimated in degraded MW by baitingCrotalaria juncea seedlings. The relationship between AMIP and vegetation indix wase stablished with Generalized Linear Mixed Models (GLMM) and linear regressions. Finally, the diversity and the structure of the AMF community in the roots of P. tinctorius were characterized in the agricultural and forest fallow of three sites, by amplification, cloning of the 28S gene of the large subunit (LSU) of the ribosomal DNA and Sanger sequencing. The results showed that the early successional tree species, ES (Chipya) had early growthand were 3 to 40 times more productive than to LS (tree species characteristic of MW). ESspecies were colonized by AMF, whereas LS species were colonized by ectomycorrhizal fungi. In degraded MW, the density of some trees had a positive influence on AMIP,particularly woody legumes acting synergistically with the abundance of annual grasses.Woody legumes were more colonized and would act as AMF plant refuges. Molecular diversity of 30 operational taxonomic units (UTOs) of AMF was associated with P. tinctorius (one of the mycotrophic woody legumes), in the agricultural and forest fallows of three sites studied. The community richness and structure of the AMF were driven by the density ofwoody species colonized by AMF evenly distributed in plant species. The AMF communitywas dominated by species of the genera Rhizophagus and Sclerocystis, and were strongly associated with some chemical properties of the soil (pH, acidity, total aluminium and totaliron) and the density of some trees. Thus, the results highlight a variability of growth and biomass depending on the successional status (ecological groups). Also, the AMIP and the AMF communities were mainly driven by tree density and soil properties. We suggest there forestation of degraded MW with the native species (P. tinctorius, B. spiciformis and C.collinum) in mono-specific plantations or under agroforestry management with food crops.

Deux symbioses végétales partagent la même niche écologique, leur hôte, une légumineuse. Ces deux associations mutualistes sont la mycorhize arbusculaire (MA) et la symbiose Rhizobium/légumineuse. Chacune de ces relations symbiotiques, prise individuellement, peuvent contrôler leur propre colonisation par des mécanismes d'autorégulation. Ce contrôle exclusif s'effectue par rétroaction systémique et parviendrait à limiter le coût en carbone pour l'hôte. En vue d'étudier la restriction exercée par une plante hôte sur le degré de colonisation mycorhizienne et rhizobienne, la légumineuse Medicago sativa a été cultivée en chambre bicompartimentée (Split-Roots). Ce dispositif expérimental a permis de séparer en deux parties distinctes le système racinaire de M. sativa. Le but recherché par ces expérimentations était de vérifier à distance l'autorégulation au sein d'une symbiose sur la seconde partie du système racinaire et de mettre en évidence une régulation négative croisée entre deux symbioses différentes. En effet pour la première fois, il est démontré que l'autorégulation systémique n'est pas l'action d'une seule symbiose sur elle-même, mais que par des signaux communs entre les deux symbioses, il existe une régulation négative croisée entre elles. Cette approche permet d'examiner, sous un nouvel angle, la régulation de l'établissement d'une symbiose par une autre symbiose. Dans ces conditions, nos résultats montrent l'existence d'un lien évident de signalisation entre les deux symbioses végétales. Dans le cas précis d'une pré-colonisation de M. sativa par Sinorhizobium meliloti, les facteurs Nod se sont révélés impliqués au niveau de l'autorégulation. Dans cet exemple, les flavonoïdes exsudés par M. sativa sont non seulement reconnus par les Rhizobia mais aussi par le Glomus mosseae. Ces résultats représentent un acquis important pour l'interprétation de la signalisation au niveau de l'autorégulation des deux symbioses à l'étude. Par ailleurs, l'analyse des exsudats racinaires de M. sativa par chromatigraphie liquide à haute performance (HPLC) montre une modification significative du patron des isoflavonoïdes lorsque cette plante est soumise à différents contrôles dérivant d'autorégulations et de régulations négatives croisées. De plus il est loisible d'observer une variation similaire de patrons de flavonoïdes suite à l'application de facteurs Nod. En soi, d'une façon plus exacte, tous ces traitements provoquent une réduction marquée de la formononétine et de l'ononine. Ces deux isoflavonoïdes semblent être d'excellents candidats comme molécules ± signal ¿ dans la régulation à distance pour les deux symbioses végétales. De plus, l'application externe de ces deux isoflavonoïdes peut normalement restaurer la nodulation et la mycorhization. Les flavonoïdes jouent un rôle clef dans la formation de la symbiose MA chez M. sativa. Lors d'expériences avec diverses souches de G. mosseae nous avons cherché à montrer qu'il y avait bien une régularité et une constance dans le patron de flavonoïdes considérés comme molécule signal et cela peu importe les besoins métaboliques divergents associés à ces souches de G. mosseae. Selon cette prémisse nous concluons que leur production n'est pas subordonnée aux besoins métaboliques des souches fongiques. La constance de l'augmentation ou la réduction du patron de ces flavonoïdes pourraient bien être le résultat du rôle de flanovoïdes impliqués pour des mécanismes de signalisations qui accompagnent nécessairement l'établissement de la symbiose MA.

3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire / Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems.

Le mutualisme entre les plantes et les champignons arbusculaires mycorhiziens est extrêmement répandu (~ 80% des plantes sont colonisées par ces organismes) et ancien (il ya plus de 450 millions d'années). Cette relation symbiotique est une composante essentielle du fonctionnement des écosystèmes et de leur productivité, et est fortement impliqué dans le cycle de deux éléments clés: le phosphore et le carbone. Le maintien de ce mutualisme est devenu particulièrement important dans le contexte actuel de perte de biodiversité. Un des objectifs de cette thèse était de comprendre la stabilité de ce mutualisme. L'accent a tout d'abord été mis sur les échanges de nutriments impliqués dans cette symbiose, en testant si la plante hôte et les symbiotes fongiques sont capables de discriminer leurs différents partenaires, et d'allouer davantage de ressources aux partenaires fournissant plus de nutriments. J'ai ensuite étudié la possibilité de l'implication de la plante hôte dans la protection des symbiotes mycorhiziens via un transfert de métabolites secondaires dans les hyphes. Nous avons alors pu emettre une nouvelle hypothèse suggérant que la protection en métabolites secondaires venant de la plante serait positivement corrélée avec le niveau de coopération (à savoir le transfert des nutriments) du champignon symbiotique. L'echelle d'étude est ensuite passée de l'individu à la communauté en étudiant les effets de la diminution de la diversité végétale sur la diversité des symbiotes racinaires. Pour ce faire, des analyses moléculaires et des outils novateurs ont été utilisés, tels que le séquençage à haut débit. Pour faciliter encore l'étude des séquences obtenues et d'autres séquences fongiques, j'ai collaboré avec des collègues afin de créer une base de données 'Phymyco-DB' rendue publique en 2012. Enfin, je discute de l'implication du mutualisme mycorhizien dans le contexte des systèmes agricoles actuels et propose de nouvelles trajectoires pour gérer ces systèmes. Ce projet de thèse apporte un nouvel éclairage sur la façon dont fonctionnent ces interactions entre les plantes et champignons MA et sur la manière dont ils façonnent les processus écologiques et les trajectoires évolutives dans les écosystèmes naturels et agricoles. Ces points sont d'une importance majeure pour développer une agriculture plus écologiquement intensive et durable. Le projet a fourni de nouvelles connaissances et perspectives sur la perte de la diversité végétale, et ses conséquences pour la stabilité de la symbiose AM. Comme les champignons mycorhiziens sont essentiels dans les processus des écosystèmes et l'entretien de la fertilité des sols, ce travail devrait avoir un large impact dans (i) la politique de protection des sols, (ii) la recherche sur l'amélioration des plantes et (iii) la conception de systèmes agricoles durables. / The mutualism between plants and arbuscular mycorrhizal fungi is extremely widespread (~ 80% of plants are colonized by these organisms) and ancient (over 450 million years ago). This symbiotic relationship is an essential component of healthy ecosystem functioning and productivity, and is strongly involved in the cycle of two key elements: phosphorus and carbon. Maintaining this mutualism has become especially important in the current context of a biodiversity loss. One goal of this thesis was to understand the stability of the mutualism. I first focused on nutrient exchange, testing whether plant host and fungal symbionts are able to discriminate among partners, and allocate more resources to those individuals providing more nutrients. I then explored the possibility of the host-plant involvement in the protection of mycorrhizal symbionts via a transfer of secondary metabolites into fungal hyphae. We introduced a new hypothesis suggesting that chemcial protection from the plant is positively correlated with the level of cooperation (i.e. nutrient transfer) of the fungal symbiont. I then moved from the individual to the community by studying the effects of decreasing plant diversity on the diversity of root symbionts. To this aim, I utilized molecular analyzes and innovative tools, such as high throughput sequencing. To further facilitate the study of the obtained sequences and other fungal sequences, I worked with colleagues to create a database ‘Phymyco-DB’ which was released to the public in 2012. Finally, I discuss the implication of the mycorrhizal mutualism in the context of current agricultural systems and propose new trajectories to manage these systems. This PhD project provides new insights on how plant and AM fungi interactions work and how they shape ecological processes and evolutionary trajectories in natural and agricultural ecosystems. These points are of major importance to develop a more ecologically intensive agriculture. The project has provided new knowledge and perspectives on the loss of plant diversity, and its consequences for AM symbiosis stability. As arbuscular mycorrhizal fungi are essential in ecosystem processes and soil fertility maintenance, this work should have a broad impact in (i) the soil protection policy, (ii) the research on plant breeding and (iii) the design of sustainable agricultural systems.

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. [...]

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems. / 3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire