Involvement of auxin in the arbuscular mycorrhizal symbiosis in tomato
Implication de l'auxine dans la symbiose endomycorhizienne à arbuscules
Résumé
Most land plant species live in symbiosis with arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. This is a very ancient symbiosis dating back to 450 million years. AM fungi are soil fungi that belong to the Glomeromycota. They are present in most terrestrial ecosystems. Thus they can be considered as an integral root component of plants. They form essential functional structures called arbuscules in root cortical cells at which mineral nutrients are released to the plant in exchange of sugars. The phytohormone auxin is involved in many developmental processes in plants, including apical dominance, tropisms, vascular patterning and lateral root formation. The main objective of our work was to investigate further the role of auxin in the mycorrhizal developmental process. We already know that AM symbiosis stimulates the lateral root formation in host plants, which could be due to modification of auxin metabolism, transport or perception. The microRNAs (miRNAs) are ~21-nucleotides noncoding RNAs that target corresponding mRNA transcripts for cleavage and transcriptional repression. Several miRNAs interact with auxin signaling and among them miR393 that targets auxin receptors. We investigated the role of miR393 in AM root colonization. In Solanum lycopersicum (Solanaceae), Medicago truncatula (Fabaceae) and Oryza sativa (Poaceae), expression of the precursors of the miR393 was down-regulated during mycorrhization. In addition DR5-GUS, a reporter for auxin response, was found to be preferentially expressed in root cells containing arbuscules. By over-expressing miR393 in roots and therefore down-regulating auxin receptor genes, arbuscules could not develop normally. As components of auxin receptor complexes, Aux/IAA proteins play a major role in auxin signaling pathway by repressing the activity of ARF type transcription factors. We checked the expression of 25 AUX/IAA genes in AM roots. Among them, we focused on IAA27 that was significantly up-regulated during the early stages of AM symbiosis. IAA27 down-regulation in plants led to a strong decrease of AM colonization and arbuscule abundance. We showed by different approaches that the positive regulation of mycorrhization by IAA27 was linked to strigolactone biosynthesis. Overall these results strongly support the hypothesis that auxin signaling plays an important role both in the early stage of mycorrhization and in the arbuscule formation.
La plupart des espèces végétales terrestres vivent en symbiose avec les champignons mycorhiziens à arbuscules (MA). Il s’agit d’une symbiose très ancienne datant de plus de 400 millions d’années. Les champignons MA sont des champignons du sol qui appartiennent aux Gloméromycètes. Ils sont présents dans la plupart des écosystèmes terrestres. Ainsi, ils peuvent être considérés comme une composante intégrale des racines des plantes. Ils forment dans les cellules racinaires corticales des structures fonctionnelles essentielles appelées arbuscules où ils apportent à la plante des minéraux nutritifs en échange de sucres. L’auxine est une phytohormone impliquée dans de nombreux processus de développement des plantes, y compris la dominance apicale, les tropismes, la structuration vasculaire et la formation de racines latérales. Le principal objectif de notre travail était d’étudier de manière approfondie le rôle de l’auxine dans le processus de développement des mycorhizes. On sait déjà que la symbiose MA stimule la formation de racines latérales dans les plantes hôtes, ce qui pourrait être due à une modification du métabolisme de l’auxine, de son transport ou de sa perception. Les microARNs (miARNs) sont des molécules d’ARN non codantes de ~ 21 nucléotides capables de réprimer l’expression de gènes en ciblant et clivant spécifiquement leur ARNm correspondant. Plusieurs miARNs interagissent avec la signalisation de l’auxine et parmi eux miR393 qui cible les récepteurs à l’auxine. Nous avons étudié le rôle de miR393 dans la colonisation mycorhizienne. Nous mettons en évidence que chez Solanum lycopersicum (Solanacées), Medicago truncatula (Fabaceae) et Oryza sativa (Poaceae), l’expression des précurseurs de miR393 diminue lors de la mycorhization. En outre nous montrons que DR5-GUS, un gène rapporteur de réponse à l’auxine, est préférentiellement exprimé dans les cellules de la racine contenant les arbuscules. En sur-exprimant miR393 dans les racines et donc en régulant négativement l’expression des gènes de récepteurs à l’auxine, nous montrons également que les arbuscules ne se développent pas normalement. En tant que composantes des complexes récepteurs d’auxine, les protéines Aux/IAA jouent un rôle majeur dans la voie de signalisation de l’auxine en réprimant l’activité des facteurs de transcription de type ARF. Nous avons vérifié dans des racines de tomate mycorhizées l’expression de 25 gènes AUX/IAA. Nous nous sommes concentrés sur IAA27 dont l’expression est induite lors des premiers stades de la symbiose MA. Nous observons qu’une répression par ARNi de l’expression de IAA27 dans des plants de tomate conduit à une forte diminution de la colonisation MA et du nombre des arbuscules. Puis nous montrons par des approches différentes que la régulation positive de la mycorhization par IAA27 est liée à la biosynthèse des strigolactones. Globalement, ces résultats appuient fortement l’hypothèse selon laquelle la signalisation de l’auxine joue un rôle important aussi bien dans le stade précoce de la mycorhization que dans la formation des arbuscules.
Origine : Version validée par le jury (STAR)