La symbiose fixatrice d'azote au sein du genre Lupinus : histoire évolutive, aspects fonctionnels et gènes symbiotiques dans un contexte de spécificité hôte-symbiote

Nitrogen-fixing symbiosis in the Lupinus genus : Evolutionary history, functional aspects and symbiotic genes in a host-symbiont specificity context

• Auteur / Autrice : Jean Keller
• Direction : Francisco Cabello-Hurtado, Abdel-Kader Aïnouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 07/12/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution (Rennes ; 1996-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relations hôte-bactérie

Plantes fixatrices d'azote

Symbiose

Génomique

Lupins

Mots clés libres

Lupinus

Symbiose fixatrice d'azote

Transcritpomique

Dynamique évolutive

Spécificité symbiotique

Lupinus

Nitrogen fixing symbiosis

Transcriptomics

Evolutionary dynamics

Symbiotic specificity

Résumé

La symbiose entre les légumineuses et les Rhizobiacées est la source d’azote fixé la plus importante pour le bon fonctionnement des écosystèmes naturels et agricoles. Très étudiée chez des légumineuses modèles, certains aspects de cette interaction restent peu connus ; c’est le cas des mécanismes génétiques et fonctionnels qui contrôlent la spécificité hôte-symbiote. Il n’y a que peu d’études globales consacrées à ce phénomène, et les gènes symbiotiques sont très peu connus chez les espèces non-modèles. Dans ce contexte, nous avons étudié un cas de changement de spécificité symbiotique remarquable chez des espèces phylogénétiquement proches du genre Lupinus (Fabacées). Tout d’abord, la reconstruction et l’analyse de génomes chloroplastiques complets a permis de camper le cadre évolutif de la symbiose en générant de nouveaux marqueurs d’intérêt pour clarifier la phylogénie et l’évolution des lupins. A partir d’une expérimentation d’inoculation croisée impliquant trois espèces de lupins méditerranéens et deux souches compatibles et incompatibles de Bradyrhizobium, une approche RNA-Seq a permis de produire les premiers nodulomes de lupin et d’identifier les gènes symbiotiques. L’analyse des gènes différentiellement exprimés a montré que la spécificité symbiotique affecte non seulement la voie de signalisation et de régulation de la symbiose, mais également une diversité de voies métaboliques associées. Enfin, l’étude de la dynamique évolutive et fonctionnelle de quelques gènes a mis en évidence l’impact et l’importance des phénomènes de duplication aux différents niveaux de la cascade génétique symbiotique.

Legumes-Rhizobia symbiosis is the most important fixing nitrogen source for the good functioning of both natural and agricultural ecosystems. Although, it is extensively studied in model legumes, some aspects of this interaction remain unclear, such as the genetic and functional mechanisms controlling the host-symbiont specificity. Large scale studies of this process are scarce and symbiotic genes are not well described in non-model species. In this context, the effect of symbiotic specificity was investigated in phylogenetically close relative species belonging to the Lupinus genus (Fabaceae). First, the reconstruction and analysis of complete chloroplast genomes allowed us to generate new and useful markers for clarifying the Lupinus phylogeny in order to lighten the evolutionary context of the symbiosis. Following a cross-inoculation experiment of three Mediterranean lupine species with two compatible or incompatible Bradyrhizobium strains, a RNA-Seq approach allowed the reconstruction of the first lupine nodulomes and the identification of lupine symbiotic genes. The analysis of differentially expressed genes revealed that the symbiotic specificity affects not only the signalling and regulatory symbiotic pathways, but also diverse associated metabolic pathways. Finally, evaluating the evolutionary and functional dynamics of genes highlighted the importance of gene and genome duplication events at different steps of the symbiotic genetic pathway.