La majorité des plantes terrestres forment une symbiose racinaire avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA). Les champignons fournissent à la plante de l'eau et des minéraux en particulier du phosphate (Pi), en échange les plantes leur apportent des éléments carbonés. La fertilisation phosphatée est connue pour inhiber l'interaction symbiotique, mais les mécanismes intervenant dans cette régulation sont inconnus. Nous avons montré que le Pi est capable d'inhiber presque totalement la mycorhization à un stade très précoce, avant même l'attachement du champignon à la surface de l'épiderme racinaire. Cette inhibition est liée aux teneurs en Pi dans les parties aériennes et fait intervenir une signalisation systémique. Par la suite, nous avons cherché à identifier les mécanismes impliqués dans la régulation de la mycorhization par le Pi. Les évènements précoces d'interaction ont été examinés avec un intérêt marqué pour les exsudats racinaires. Tout d'abord, nous avons analysé l'importance des strigolactones dans la régulation. Ces molécules sont sécrétées par les racines des plantes et stimulent le développement des champignons (MA). La production de strigolactones est elle aussi régulée de façon systémique par le Pi et les exsudats végétaux de plantes non carencés en Pi sont dépourvus de strigolactones. Cependant, un ajout exogène de ces molécules ne suffit pas pour lever l'inhibition associée à la présence de Pi. De plus, la part des exsudats végétaux en général dans cette régulation a été étudiée. Bien que les exsudats jouent un rôle pour favoriser (ou non) la mise en place de l'interaction, des mécanismes de contrôle supplémentaires existent au niveau de la racine elle-même. Parmi plusieurs mécanismes régulateurs hypothétiques nous avons testé si le Pi pouvait affecter la capacité des plantes à reconnaitre correctement leurs partenaires fongiques. Pour cela nous avons utilisé deux approches. (i) Il est connu que les racines répondent à la présence de champignon par des oscillations de concentrations en calcium dans les noyaux. Nous n'avons pas trouvé d'effet du Pi sur cette réponse. (ii) Nous avons aussi analysé si l'expression de gènes végétaux en réponse au champignon pouvait être régulée par le Pi. Quelle que soit la condition phosphatée testée, les plantes sont capables de répondre à la présence de champignon par l'induction de gènes de défense et de gènes " symbiotiques ". Cependant, le Pi affecte négativement l'expression de certains des gènes symbiotiques, laissant penser que les plantes seraient moins à même de répondre au champignon lorsqu'il y a du Pi. Pour finir, d'autres mécanismes de régulation possibles (tels que la composition des parois ou un effet hormonal des strigolactones) sont proposés et discutés.

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

Les fluctuations du taux de calcium (Ca2+) intracellulaire sont impliquées dans les événements de signalisation et de régulation de différents processus cellulaires. Alors que le role du Ca2+ dans la réponse des plantes lors des interactions mycorhiziennes à arbuscules (MA) interactions est bien documentée, il n’existe aucune information concernant la régulation ou le rôle de ce messager secondaire chez le symbiote fongique. La base moléculaire de l'homéostasie calcique fongique dans la symbiose MA a été analysée en étudiant l'expression de gènes fongiques liés au Ca2+. Dans un premier temps, des gènes de G. mosseae codant putativement pour une protéine kinase-like MAP3k (Gm2) et une P-type ATPase (Gm152) ont été étudiés. L’expression des deux gènes est stimulée par les exudats racinaires d’A. sinicum, suggérant un rôle dans les interactions précoces avant l'établissement de la symbiose. L’obtention de la séquence d'ADNc pleine longueur de Gm152 a confirmé son identité. Une étude plus approfondie du rôle de Ca2+ dans les processus fongiques impliqués dans la symbiose MA a été réalisée chez G. intraradices. L'expression de sept gènes fongiques encodant six protéines de transport membranaire calcique et une protéine kinase nucléaire, sélectionnés du séquençage transcriptomique du G. intraradices, était stimulée lors de la colonisation des racines de M. truncatula type sauvage (lignée J5) mais pas chez le mutant non-mycorhizienne dmi3/Mtsym13. La cartographie par microdissection laser des transcrits des gènes fongiques a indiqué une activation différentielle dans les arbuscules et/ou dans hyphes intercellulaires. Les variations tempo-spatiales de l'expression des gènes fongiques suggèrent des roles différents dans le développement ou le fonctionnement de la symbiose MA. L’ADNc pleine longueur a été obtenue de trois gènes de G. intraradices encodant un PMR1-like réticulum endoplasmique ATPase, un VCX1-like transporteur ionique vacuolaire et un CCaMK nucléaire pour des analyses fonctionnelles chez la levure afin de mieux comprendre leur rôle dans la symbiose MA. Les mécanismes par lesquels les protéines liées au Ca2+ pourraient jouer un rôle chez G. intraradices dans la mobilisation et la perception du messager secondaire au cours des interactions MA sont discutés / Fluctuations in intracellular (Ca2+) calcium levels generate signaling events and regulate different cellular processes. Whilst the implication of Ca2+ in plant cell responses during arbuscular mycorrhiza (AM) interactions is well documented, nothing is known about the regulation or role of this secondary meesenger in the fungal symbiont. The molecular basis of fungal calcium homeostasis in the AM symbiosis was analyzed by investigating the expression of Ca2+-related fungal genes. In a first study, G. mosseae genes putatively encoding a MAP3k-like protein kinase (Gm2) and a P-type ATPase (Gm152) were investigated. Both Ca2+-related genes were up-regulated by A. sinicum root exudates, suggesting a role in early interactions prior to symbiosis establishment. The full-length cDNA sequence of Gm152 obtained from germinating spores of G. mosseae confirmed its identity. The role of Ca2+ in fungal processes leading to establishment of an AM symbiosis was investigated in more detail in G. intraradices-M. truncatula interactions. Enhanced expression of genes encoding six membrane transport proteins and one nuclear protein kinase, selected from the G. intraradices transcriptome database, was related to colonization of wild-type M. truncatula (line J5) roots and not observed with the mycorrhiza-resistant mutant dmi3/Mtsym13. Laser microdissection mapping of transcripts indicated that the Ca2+-related G. intraradices genes were differentially up-regulated in arbuscules and/or in intercellular hyphae. The tempo-spatial variations in fungal gene expression suggest different roles in the development or functioning of the AM symbiosis. Full-length cDNA of three G. intraradices genes putatively encoding a PMR-like endoplasmic reticulum P-type ATPase, a VCX1-like vacuolar Ca2+ ion transporter and a nuclear CCaMK were obtained for functional analyses in yeast mutants to gain insight into their role in the mycorrhizal symbiosis. Possible mechanisms are discussed in which Ca2+-related proteins of G. intraradices may play a role in the mobilization and perception of the intracellular messenger by the AM fungus during symbiotic interactions with host roots

In plants, long distance transport of sugars from photosynthetic source leaves to sink organs comprises different crucial steps depending on the species and organ types. Sucrose, the main carbohydrate for long distance transport is synthesized in the mesophyll and then loaded into the phloem. After long distance transport through the phloem vessels, sucrose is finally unloaded towards sink organs. Alternatively, sugar can also be transferred to non‐plant sinks and plant colonization by heterotrophic organisms increases the sink strength and creates an additional sugar demand for the host plant. These sugar fluxes are coordinated by transport systems. Main sugar transporters in plants comprise sucrose (SUTs) and monosaccharide (MSTs) transporters which constitute key components for carbon partitioning at the whole plant level and in interactions with fungi. Although complete SUTs and MSTs gene families have been identified from the reference Dicot Arabidopsis thaliana and Monocot rice (Oriza sativa), sugar transporter families of the leguminous plant Medicago truncatula, which represents a widely used model for studying plant-fungal interactions in arbuscular mycorrhiza (AM), have not yet been investigated.With the recent completion of the M. truncatula genome sequencing as well as the release of transcriptomic databases, monosaccharide and sucrose transporter families of M. truncatula were identified and now comprise 62 MtMSTs and 6 MtSUTs. I focused on the study of the newly identified MtSUTs at a full family scale; phylogenetic analyses showed that the 6 members of the MtSUT family distributed in all three Dicotyledonous SUT clades; they were named upon phylogenetic grouping into particular clades: MtSUT1-1, MtSUT1-2, MtSUT1-3, MtSUT2, MtSUT4-1 and MtSUT4-2. Functional analyses by yeast complementation and expression profiles obtained by quantitative RT-PCR revealed that MtSUT1-1 and MtSUT4-1 are H+/sucrose symporters and represent key members of the MtSUT family. Conservation of transport capacity between orthologous leguminous proteins, expression profiles and subcellular localization compared to previously characterized plant SUTs indicate that MtSUT1-1 is the main protein involved in phloem loading in source leaves whilst MtSUT4-1 mediates vacuolar sucrose export for remobilization of intracellular reserve.The AM symbiosis between plants and fungi from the phylum Glomeromycota is characterized by trophic exchanges between the two partners. The fungus supplies the autotrophic host with nutrients and thereby promotes plant growth. In return, the host plant provides photosynthate (sugars) to the heterotrophic symbiont. Here, sugar fluxes from plant source leaves towards colonized sink roots in the association between the model leguminous plant M. truncatula and the arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) Glomus intraradices were investigated. Sugar transporter candidates from both the plant and fungal partners presenting differential expression profiles using available transcriptomic tools were pinpointed. Gene expression profiles of MtSUTs and sugar quantification analyses upon high and low phosphorus nutrient supply and inoculation by the AMF suggest a mycorrhiza-driven stronger sink in AM roots with a fine-tuning regulation of MtSUT gene expression. Conserved regulation patterns were observed for orthologous SUTs in response to colonization by glomeromycotan fungi.In parallel, a non-targeted strategy consisting in the development of a M. truncatula - G. intraradices expression library suitable for yeast functional complementation and screening of symbiotic marker genes, similar to the approach that led to the identification of the first glomeromycotan hexose transporter (GpMST1), has been developed in this study. [...]

Fluctuations in intracellular (Ca2+) calcium levels generate signaling events and regulate different cellular processes. Whilst the implication of Ca2+ in plant cell responses during arbuscular mycorrhiza (AM) interactions is well documented, nothing is known about the regulation or role of this secondary meesenger in the fungal symbiont. The molecular basis of fungal calcium homeostasis in the AM symbiosis was analyzed by investigating the expression of Ca2+-related fungal genes. In a first study, G. mosseae genes putatively encoding a MAP3k-like protein kinase (Gm2) and a P-type ATPase (Gm152) were investigated. Both Ca2+-related genes were up-regulated by A. sinicum root exudates, suggesting a role in early interactions prior to symbiosis establishment. The full-length cDNA sequence of Gm152 obtained from germinating spores of G. mosseae confirmed its identity. The role of Ca2+ in fungal processes leading to establishment of an AM symbiosis was investigated in more detail in G. intraradices-M. truncatula interactions. Enhanced expression of genes encoding six membrane transport proteins and one nuclear protein kinase, selected from the G. intraradices transcriptome database, was related to colonization of wild-type M. truncatula (line J5) roots and not observed with the mycorrhiza-resistant mutant dmi3/Mtsym13. Laser microdissection mapping of transcripts indicated that the Ca2+-related G. intraradices genes were differentially up-regulated in arbuscules and/or in intercellular hyphae. The tempo-spatial variations in fungal gene expression suggest different roles in the development or functioning of the AM symbiosis. Full-length cDNA of three G. intraradices genes putatively encoding a PMR-like endoplasmic reticulum P-type ATPase, a VCX1-like vacuolar Ca2+ ion transporter and a nuclear CCaMK were obtained for functional analyses in yeast mutants to gain insight into their role in the mycorrhizal symbiosis. Possible mechanisms are discussed in which Ca2+-related proteins of G. intraradices may play a role in the mobilization and perception of the intracellular messenger by the AM fungus during symbiotic interactions with host roots