N°attribué par la bibliothèque : |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_| Thèse pour obtenir l’obtention du diplôme de Doctorat de l’Université Montpellier II Discipline : Biologie et Écologie des Populations École Doctorale : SIBAGHE Présentée par Lucie VINCENOT DE L’INDIVIDU À L’ESPÈCE : STRUCTURE GÉNÉTIQUE MULTI-ÉCHELLES DES POPULATIONS DU BASIDIOMYCÈTE ECTOMYCORHIZIEN LACCARIA AMETHYSTINA Présentée et soutenue publiquement le 4 décembre 2009 Membres du jury : Claire NEEMA, Professeur à AgroParisTech Rapporteur Roland MARMEISSE, Chargé de Recherches { l’Université Lyon I Rapporteur Joëlle RONFORT, Directrice de Recherches { l’INRA de Mauguio Examinateur Hervé GRYTA, Maître de conférences { l’Université Toulouse III Examinateur Daniel MOUSAIN, Directeur de Recherches { l’INRA-ENSAM de Montpellier Examinateur Marc-André SELOSSE, Professeur { l’Université Montpellier II Directeur De l’individu à l’espèce : structure génétique multi-échelles des populations du Basidiomycète ectomycorhizien Laccaria amethystina Résumé : Les champignons ectomycorhiziens sont des symbiotes de la plupart des espèces d’arbres des forêts partout dans le monde, favorisant leur développement en leur apportant des nutriments du sol. Malgré leur importance écologique, les populations de ces espèces (généralement Basidiomycètes ou Ascomycètes) restent peu étudiées. Mes travaux de thèse s’intéressent { la génétique des populations du modèle Laccaria amethystina, Basidiomycète ectomycorhizien symbiote d’une gamme variée d’hôtes de forêts tempérées d’Europe et d’Asie, { des échelles spatiales variées. Au niveau local, un dispositif de suivi pluriannuel de populations a été mis en place, afin d’en décrire la dynamique spatio-temporelle et de comprendre la stratégie écologique de cette espèce. À des échelles plus larges, j’ai étudié la structure génétique spatiale des populations de L. amethystina en France (450 km), puis en Europe (2900 km) et de l’Europe { l’Asie (10000 km) pour en comprendre la biogéographie. Ces travaux ont révélé une population européenne panmictique, en partie due à la dispersion à grande distance des spores de reproduction sexuée, et un potentiel phénomène de spéciation cryptique au sein de L. amethystina entre l’Europe et le Japon. Ces résultats ouvrent la voie à des recherches ultérieures sur la structure génétique spatiale et temporelle des populations du genre modèle ectomycorhizien Laccaria spp. Mots-clés : Ectomycorhize, génet, flux de gènes, isolement par la distance, phylogéographie, spéciation cryptique From individual to species: multi-scales population genetic structure of the ectomycorrhizal badisiomycete Laccaria amethystina Abstract: Ectomycorrhizal fungi are symbiotic with most of forest tree species worldwide, and enhance their development by bringing them nutrients from the soil. Despite their major ecological role, populations of these species (mostly Basidiomycetes and Ascomycetes) remain poorly studied. My PhD work focuses on population genetics of the model ectomycorrhizal Basidiomycete Laccaria amethystina, symbiont of a large panel of host trees from European and Asian temperate forests, at various spatial scales. At the local resolution, a pluriannual survey of populations has been launched to describe their spatio-temporal dynamic and understand the ecological strategy of the species. A larger scales, I studied the spatial genetic structure of L. amethystina populations in France (450 km), then in Europe (2900 km) and from Europe to Asia (10000 km) to understand their biogeography. These works revealed a single, panmictic European population, partly due to long-distance dispersal of sexual spores, and a putative cryptic speciation phenomenon within L. amethystina between Europe and Japan. These results pave the way to further investigations on spatial and temporal genetic structure of the populations of the model ectomycorrhizal genus Laccaria spp. Keywords: Ectomycorrhiza, genet, gene flow, isolation by distance, phylogeography, cryptic speciation 3 4 Remerciements Cette thèse a été financée par une allocation du Ministère de la Recherche et de l’Enseignement Supérieur. Elle a été préparée au sein de l’équipe Interactions Biotiques du Centre d’Écologie Fonctionnelle et Évolutive (CEFE), UMR 5175 (CNRS, 1919 route de Mende F-34293 MONTPELLIER Cedex 5). Je souhaite remercier chaudement les équipes du Service des Marqueurs Génétiques du CEFE et de l’équipe Interactions Arbres-Microorganismes (UMR1136) de l’INRA de Champenoux pour leur accueil, leurs conseils et leur soutien dans mon travail de biologie moléculaire, ainsi que l’équipe du Terrain d’Expérimentation du CEFE pour leurs conseils avisés pour partir échantillonner dans les Cévennes. Un grand merci également aux divers mycologues, chercheurs ou simplement passionnés, que j’ai rencontré au cours de ces 3 années de thèse, ainsi qu’aux échantillonneurs européens qui m’ont très aimablement aidée dans la collecte de laccaires. Cette thèse n’aurait tout simplement pas été possible sans eux. Je remercie aussi mes collègues, co-auteurs et collaborateurs scientifiques du CEFE, de l’Université Montpellier II, des INRA de Champenoux et de Montpellier, et d’ailleurs… parfois beaucoup plus loin ! Merci à eux pour leurs conseils, leurs idées, leurs connaissances et leurs points de vue, pas toujours restreints à la mycologie ou à la génétique des populations. Merci en particulier aux collègues que j’ai côtoyé trois années et qui m’ont épaulé dans mes travaux de thèse et leur rédaction, et à mon directeur de thèse Marc-André Selosse. Enfin, j’aimerais remercier les membres du jury de ma thèse et de mes comités de thèse, pour l’intérêt qu’ils ont porté { mes travaux, leur lecture et leurs conseils. 5 6 Table des matières CHAPITRE I : APPLIQUER LA GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS AUX CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS ................................................................................................................................................... 11 I.1. INTRODUCTION : NAISSANCE DES CONCEPTS DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS ................................................................................. 13 I.2. APPLICATIONS DES CONCEPTS DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS ......................................................................................................... 17 I.2.1. À l’origine, des développements théoriques et empiriques successifs ............................................................................ 17 I.2.2. Utiliser les outils de génétique des populations pour comprendre la diversité des populations naturelles . 22 I.2.3. Structure génétique spatiale et approche biogéographique .............................................................................................. 25 I.3. GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS DE CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS ............................................................................................... 30 I.3.1. Diversité biologique et fonctionnelle des champignons ectomycorhiziens .................................................................. 30 I.3.2. Application de la génétique des populations aux espèces ectomycorhiziennes ......................................................... 40 CHAPITRE II : LE GENRE LACCARIA COMME MODÈLE D’ÉTUDE DES POPULATIONS DE CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS ................................................................................................................. 87 II.1. BRÈVE DESCRIPTION DE LA BIOLOGIE DE L’ESPÈCE ................................................................................................................................. 89 II.2. LE GENRE LACCARIA EN LABORATOIRE, UN MODÈLE DE BIOLOGIE ECTOMYCORHIZIENNE ............................................................... 92 II.2.1. Première période : Laccaria comme modèle biologique ectomycorhizien ................................................................. 92 II.2.2. Deuxième période : 1980 – 1990, les mycorhizations contrôlées ................................................................................... 93 II.2.3. Troisième période : étude in vitro des mécanismes et de l’interaction ectomycorhizienne ............................... 96 II.2.4. Les années 2000 : l’ère de la génomique .................................................................................................................................... 98 II.3. LACCARIA BICOLOR ET L. AMETHYSTINA, ESPÈCES MODELES DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS ECTOMYCORHIZIENNES ........ 100 CHAPITRE III : DES POPULATIONS LOCALES À L’AIRE DE RÉPARTITION GLOBALE ................. 131 III.1. ESTIMER LES FLUX DE GÈNES POUR COMPRENDRE LES INTERACTIONS ENTRE LES POPULATIONS ............................................. 133 III.2. LES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA À L’ÉCHELLE FRANÇAISE ....................................................................................... 139 III.3. STRUCTURE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA À L’ÉCHELLE DE LEUR AIRE DE REPARTITION ....... 155 CHAPITRE IV ................................................................................................................................................................ 199 IV.1. STRUCTURE DES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA ET VARIABILITÉ ENVIRONNEMENTALE ........................................ 201 IV.1.1. Adaptations des populations de L. amethystina aux variations environnementales ........................................ 203 IV.1.3. Adaptations des populations et flux géniques .....................................................................................................................