Rôles des endophytes fongiques racinaires dans la tolérance de Fallopia aux éléments Traces Métalliques

Roles of root fungal endophytes in the tolerance of Fallopia to Metal Trace Elements

• Auteur / Autrice : Louise Barberis
• Direction : Florence Piola, Serge Michalet, Philippe Binet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Écologie, des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
• Jury : Président / Présidente : Gilles Comte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Piola, Geneviève Chiapusio, Eric Tabacchi, Soizic Prado, Marie-Noëlle Binet, Jean-philippe Bedell, Emmanuelle Porcher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Chiapusio, Eric Tabacchi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des racines

Résistance à la pollution

Champignons endophytes

Sols -- Pollution

Métaux

Mots clés libres

Endophyte

Fallopia

Élément trace métallique

Champignon

Racine

Mutualisme

Endophyte

Fallopia

Trace metal

Fungi

Root

Mutualism

Résumé

Depuis la révolution industrielle et ses émissions de contaminants, les sols sont soumis à des concentrations de plus en plus fortes en éléments traces métalliques (ETM). Ceux-ci, non-biodégradables et toxiques à faible dose, posent des problèmes environnementaux et sanitaires majeurs. Pourtant, de nombreux organismes, notamment végétaux, ont pu s’y adapter : c’est le cas des Renouées asiatiques, qui s’étendent en Europe y compris dans les milieux contaminés aux ETM. Les Renouées sont, comme la majorité des plantes, associées avec des microorganismes ; certains champignons présents dans leurs racines pourraient être impliqués dans la tolérance de cette plante aux ETM. L’objectif général de cette thèse est de tester cette hypothèse, en étudiant les espèces fongiques associées aux racines des Renouées asiatiques et leurs rôles dans la tolérance de ce taxon à la pollution métallique des sols, en conditions contrôlées. Pour cela, des rhizomes de Renouées ont été mis en culture sous serre, en présence ou non d’ETM (Cd, Cr, Zn et leur mélange). La colonisation fongique des racines a été quantifiée, des souches endophytiques isolées et les métabolites secondaires présents dans les racines et dans certaines souches isolées identifiés et quantifiés. L’ensemble de ces données a été mis en relation avec les traits de performance de la plante, en fonction des conditions métalliques. Une étude bibliographique (Axe 1) inventoriant les endophytes fongiques présents dans les racines des plantes et leurs effets sur la tolérance de leur hôte aux ETM a mis en évidence l’ubiquité (diversité d’hôtes et d’environnements) des endophytes fongiques racinaires, leur diversité taxonomique et leurs propriétés stimulatrices de la croissance de leur hôte. En milieu contaminé aux ETM, ces endophytes inoculés aux plantes sont bénéfiques à leur croissance. Deux expérimentations en conditions contrôlées ont été menées pour étudier l’effet des métaux sur les Renouées d’une part, et identifier les endophytes qui lui sont associés d’autre part (Axe 2). Ces expérimentations ont confirmé la tolérance des Renouées aux ETM, leurs traits étant peu affectés par les contaminations. 27 endophytes appartenant aux Dothideomycetes et Sordariomycetes en majorité ont été isolés de leurs racines. Certains d’entre eux ont été testés pour leur tolérance aux ETM et d’autres pour la production de métabolites secondaires. Parmi ces souches, Fusarium oxysporum, Trichoderma sp., Diaporthe sp. semblent particulièrement intéressantes pour leur tolérance aux ETM et leur production de composés bénéfiques aux plantes. Enfin, l’effet des endophytes sur la tolérance de la Renouée aux ETM a été exploré, en modifiant le contenu endophytique des plantes et par quantification microscopique des endophytes fongiques racinaires (Axe 3). Certains d’entre eux, tels que les Olpidium, sont bénéfiques aux Renouées en absence de contamination, mais d’autres tels que les endophytes septés (DSE, Dark Septate Endophytes) stimulent la croissance en présence de Zn. Les DSE sont plus abondants lors du stress métallique. En parallèle, l’ajout de Zn dans le sol provoque une augmentation de la concentration en torosachrysone dans les racines, elle-même corrélée à la fréquence de colonisation des racines par les DSE. Ces résultats s’inscrivent dans la théorie de « l’appel à l’aide », la plante soumise à un stress sécrétant des molécules messagères chargées de recruter des microorganismes pour l’aider à y faire face. L’ensemble de ces études conforte l’importance des endophytes fongiques racinaires dans la tolérance de leur hôte Fallopia aux contaminants métalliques, et a permis d’identifier des champignons spécifiques et des molécules particulières dont les rôles seront approfondis dans de futures expérimentations. Ces résultats s’intègrent dans la compréhension des invasions végétales et pourront être utiles en phytorémédiation afin d’améliorer la croissance de plantes extractrices de contaminants métalliques

Since the industrial revolution and the resulting contaminant emissions, soils have been subjected to increasingly high concentrations of trace metal elements (MTEs). These, which are non-biodegradable and toxic at low doses for most organisms, disrupt ecosystems and pose major environmental and health problems. However, many organisms, especially plants, have been able to adapt to the presence of MTEs in their environment: this is the case of Asian knotweeds, which are spreading in Europe, including in environments contaminated with MTEs. Like the majority of plants, knotweeds are associated with microorganisms, some of which, notably fungi present in their roots, could be involved in the tolerance of this plant to MTEs. The general objective of this thesis is to test this hypothesis, by studying the fungal species associated with the roots of Asian knotweeds and their roles in the tolerance of this taxon to metallic pollution of soils, under controlled conditions. For this purpose, rhizomes of knotweed (Japanese knotweed, Sakhalin knotweed and their hybrid Bohemian knotweed) were grown in greenhouses, in the presence or absence of MTEs (Cd, Cr, Zn and their mixture). Fungal colonization of the roots was quantified by microscopy and strains were isolated to characterize them. Secondary metabolites present in the roots and in some isolated strains were identified and quantified. A bibliographical study (Axis 1) inventorying the fungal endophytes present in plant roots and their effects on the tolerance of their host to MTEs has highlighted the ubiquity (host and environmental diversity) of root fungal endophytes, their taxonomic diversity and their growth stimulating properties of their plant host. In environments contaminated with MTEs, these endophytes inoculated to plants are also beneficial to their growth, but with various effects on the uptake and transfer of MTEs in plant tissues.Two experiments under controlled conditions were carried out to study the effect of metals on Knotweed on the one hand, and to identify the endophytes associated with it on the other (Axis 2). These experiments confirmed the tolerance of Knotweeds to MTEs, as its traits were little or not affected by contamination. 27 endophytes belonging to Dothideomycetes, mainly Sordariomycetes and Eurotiomycetes, were isolated from their roots. Some of them were tested for tolerance to MTEs and others for the production of secondary metabolites. Among these strains, Fusarium oxysporum f. sp. dianthi, Trichoderma sp., Diaporthe sp. and Lachnum sp. seem particularly interesting for their tolerance to MTEs and the production of compounds beneficial to plants (phytohormones, antioxidants, chelating agents and antimicrobials). Finally, the effect of endophytes on knotweed tolerance to MTEs was explored by modifying the endophytic content of plants and by microscopic quantification of certain root fungal endophytes (Axis 3). Some of them, such as Olpidium, are beneficial to knotweeds in the absence of contamination, but others, such as Dark Septate Endophytes (DSEs), stimulate growth in the presence of Zn. DSEs are more abundant during metal stress. At the same time, the addition of Zn to the soil causes an increase in the concentration of torosachrysone in the roots, which in turn correlates with the frequency of root colonization by the DSEs. These results may be consistent with the "plant call for support" theory, where the stressed plant secretes messenger molecules that recruit microorganisms to help it cope. All these studies confirm the importance of root fungal endophytes in the tolerance of their host plant to metallic contaminants. Future experiments plan to further investigate the role of these identified endophytes and molecules in host tolerance to MTEs. These results are part of the understanding of plant invasions and could be useful in phytoremediation in order to improve the growth of plants that extract metallic contaminants