Effects of endomycorrhizal symbiosis under drought stress in rice

Establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis in rice can promote its growth and tolerance to abiotic stress such as drought by improving its access to nutrient and water. The use of AM fungi (AMF) as bio-fertilizer therefore represent an interesting avenue for improving sustainability and resilience of rice cultivation in a context of land degradation and climate change. However, AM-symbiosis can in some context lead to detrimental effect on rice growth. Recent studies suggest that rice response to inoculation can, in addition to fungi and to environmental characteristics, be influenced by specific genetic determinants in rice. In this work, our objectives were to identify QTLs associated with plant response to AM-symbiosis when grown under irrigated and water deficit conditions. For this, plant growth conditions allowing root infection by the AM fungi Rhizophagus irregularis and compatible with high-throughput phenotyping were first determined. Secondly, a fully sequenced panel of 150 African rice (O. glaberrima) was phenotyped for shoot biomass across growth in inoculated and non-inoculated conditions using an imaged-based high-throughput phenotyping platform. Plants were grown in inoculated or non-inoculated conditions for four weeks under irrigation followed by a water deficit for three weeks. In our conditions, a negative effect of inoculation on shoot growth was observed at early vegetative growth under irrigated conditions (at 28 days after sowing; DAS) and after drought stress (at 46 DAS). Expression analyses of rice marker genes involved in different steps of rice/RI interaction, combined with visual observations of fungi structures in the root revealed that the plant established a pre-symbiotic dialogue with the fungi without establishing functional symbiosis. Association analyses between genotype and phenotype for shoot biomass under the inoculated treatment at 28 DAS identified a QTL containing a gene involved in nitrate transport. Our results open interesting ways regarding the role of nitrogen nutrition on AM-symbiosis establishment.
La symbiose endomycorhizienne peut améliorer la croissance et la résistance aux stress abiotiques chez le riz en améliorant son accès à l’eau et aux nutriments. L’utilisation de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) comme bio-fertilisants représente donc une perspective intéressante pour améliorer la résilience et la durabilité de la riziculture dans un contexte de dégradation des sols et de changement climatique. Cependant, la symbiose endomycorhizienne peut dans certains contextes s'avérer inefficace ou même induire des effets négatifs sur la croissance du riz. Des études récentes suggèrent que la réponse du riz à l’inoculation par un champignon endomycorhizien pourrait être contrôlée, en plus des paramètres fongiques et environnementaux, par les caractéristiques génétiques de la plante de riz. L’objectif de cette thèse est d’identifier des traits à caractères quantitatifs (QTLs) associés à la réponse du riz à l’inoculation par un CMA au cours de sa croissance en condition irriguée et de stress hydrique. Pour cela, des conditions favorisants l’infection des racines de riz par le CMA Rhizophagus irregularis et compatibles avec le phénotypage haut-débit ont d’abord été déterminées. Dans un second temps, un panel de 150 génotypes de riz africain (Oryza glaberrima) aux génomes séquencés a été phénotypé pour la biomasse des parties aériennes au cours de la croissance en condition inoculé et non-inoculé grâce à une plateforme de phénotypage haut-débit. Les plantes ont ainsi été cultivées en conditions inoculées ou non-inoculées pendant quatre semaines avec irrigation suivies de trois semaines de déficit hydrique. Un effet négatif de l’inoculation sur la croissance a pu être observé au stade précoce en condition irriguée (à 28 jours après semis ; JAS) et après un stress hydrique (à 46 JAS) chez la majorité de génotypes. Des analyses d’expression de gènes marqueurs de l'interaction riz/RI couplées à l’observation visuelle des structures fongiques dans la racine ont révélé la mise en place d’un dialogue pré-symbiotique, sans mettre en évidence l’établissement d’une symbiose fonctionnelle. Des analyses d’association entre génotype et la biomasse aérienne en traitement inoculé à 28 JAS ont permis d’identifier un QTL contenant un gène impliqué dans le transport du nitrate. Ces résultats ouvrent des perspectives intéressantes sur le rôle de la nutrition azotée dans l’établissement de la symbiose endomycorhizienne.