Rôle de la perception des signaux symbiotiques fongiques chez des dicotylédones non nodulantes

Role of fungal symbiotic signal perception in non-nodulating dicotyledons

• Auteur / Autrice : Tongming Wang
• Direction : Benoît Lefèbvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions plantes-microorganismes
• Date : Soutenance le 29/09/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dicotylédones

Endosymbiose

Mots clés libres

Récepteur

Signalisation

Lipochitooligosaccharide

Champignons mycorhiziens arbuscules

Lysin motif receptor-like kinase

Nicotiana benthamiana

Solanum lycopersicum

Petunia hybrida

Rhizophagus irregularis

Résumé

L'endosymbiose racinaire entre les plantes et les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) permet aux plantes d'avoir un meilleur accès aux nutriments du sol. Pour cette raison, cette endosymbiose joue un rôle majeur dans les écosystèmes et pour l'agriculture durable. Les étapes clés de la colonisation des racines par les CMA sont: 1) la pénétration des CMA dans le système racinaire à travers les cellules de l'épiderme et du cortex externe, et 2) la formation dans les cellules du cortex interne d'une structure ramifiée appelée arbuscule, qui permet des échanges entre les cellules végétales et les hyphes fongiques. L'établissement de cette symbiose implique une communication entre les deux partenaires. Les plantes produisent des hormones, les strigolactones qui induisent chez les CMA la production de signaux symbiotiques : des lipo-chitooligosaccharides (Myc-LCO) et des chitooligosaccharides courts (Myc-COs). Les Myc-LCO et les Myc-CO induisent des réponses moléculaires et physiologiques chez les plantes qui sont capables de former des mycorhizes à arbuscules. Cependant, leur rôle exact dans l'établissement des mycorhizes à arbuscules n'est pas connu. La difficulté à cultiver et transformer le partenaire fongique de cette symbiose rend la recherche compliquée du côté fongique. Du côté des plantes, on sait que des membres de la famille des récepteurs kinases à domaines lysin (LysM-RLK) perçoivent des LCO et des CO produits par divers microorganismes et sont donc de bons candidats pour percevoir des Myc-LCO et des Myc-CO. La plupart des recherches sur les mycorhizes à arbuscules sont réalisées chez des légumineuses, espèces chez lesquelles plusieurs duplications de gènes codant les LysM-RLK ont eu lieu. J'ai donc utilisé lors de mon doctorat des Solanaceae (Solanum lycopersicum, Petunia hybrida et Nicotiana benthamiana) pour étudier le rôle de deux récepteurs putatifs de Myc- LCO, codés par les gènes LYK10 et LYK4. Ces deux gènes, physiquement proches l'un de l'autre dans les génomes de la plupart des dicotylédones, proviennent probablement d'une ancienne duplication en tandem. En utilisant une approche biochimique, nous avons montré que SlLYK10 de S. lycopersicum est capable de lier des LCO avec une haute affinité. De plus, j'ai montré que le promoteur de SlLYK10 est exprimé dans l'épiderme et le cortex externe avant la colonisation par les CMA, puis dans des cellules contenant des arbuscules au cours de la colonisation par les CMA. Enfin, des approches de génétique inverse chez la tomate et le pétunia ont permis de démontrer que LYK10 contrôle la pénétration des CMA dans les racines et la formation des arbuscules. Ces résultats suggèrent que LYK10 perçoit les LCO et active chez les plantes la machinerie nécessaire à la pénétration de CMA dans les cellules végétales et à la formation des arbuscules.

The root endosymbiosis between plants and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) allows the plants to have a better access to soil nutrients. For this reason this endosymbiosis plays a major role in ecosystems and in sustainable agriculture. The key steps for AMF colonization are: 1) the AMF penetration in the root system through crossing epidermal/outer cortical cells, and 2) the formation of a branched inner cortex structure called arbuscules that permits exchanges between plant cells and fungal hyphae. The establishment of this symbiosis involves communication between the two partners of the symbiosis. Plants produce strigolactones, hormones that induce in AMF the production of symbiotic signals : lipo-chitooligosaccharides (Myc-LCOs) and short chitooligosaccharides (Myc-COs). Both Myc-LCOs and Myc-COs induce plant molecular and physiological responses known to be associated with the formation of arbuscular mycorrhiza (AM). However, theit exact role in AM establishment is unknown. The difficulty to grow and transform the fungal partner of this symbiosis makes the research complicated on the fungal side. On the plant side, members of the lysin motif receptor-like kinase (LysM-RLK) family are known to perceive LCOs and COs produced by various microorganisms and are thus good candidates to perceive Myc-LCOs and Myc-COs. Most of the laboratory researches on AM conducted worldwide are performed on legumes where the LysM-RLK family has encountered several gene duplications. During my PhD I used Solanaceae species (Solanum lycopersicum, Petunia hybrida and Nicotiana benthamiana) to study the role of two candidate Myc-LCO receptors encoded by the genes LYK10 and LYK4. These two genes are physically close to each other in genomes of most of the dicotyledons and likely originate from of an ancient tandem duplication. By using a biochemical approach, we showed that S. lycopersicum SlLYK10 is able to bind LCOs with high affinity. Moreover, I showed that SlLYK10 promoter is expressed in epidermis/outer cortex before AMF colonization and also in arbuscule-containing cells during colonization. Finally, reverse genetic approaches in tomato and petunia allowed demonstrating that LYK10 controls AMF penetration into the roots and arbuscule formation. Taken together, these results suggest that LYK10 perceive LCOs and induce/activate the plant machinery required for AMF penetration into plant cells. Altogether this strongly suggests that LCOs play a role in AMF perception by plant during AM establishment. By using the same approaches, we found that N. benthamiana NbLYK4, as its orthologs in legumes and other dicotyledons, also binds LCOs with high affinity and is involved in AM establishment and plant defence. NbLYK4-silenced plants showed reduced responses to defence elicitors and increased colonization by pathogens and AMF. This led to the hypothesis that LYK4 perceives LCOs and locally inhibits plant defence during AMF colonization. This strongly suggests that Myc-LCOs are able to regulate plant defence. In conclusion, at least two proteins are involved non-redundantly in LCO perception in Solanaceae, LYK10 and LYK4 and regulates complementary plant machineries required for AMF colonization.