Perception et réponses aux strigolactones chez les champignons mycorhiziens à arbuscules

Perception and responses to strigolactones in arbuscular mycorrhizal fungi

• Auteur / Autrice : Quentin Taulera
• Direction : Soizic Rochange
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes, interactions biotiques et abiotiques
• Date : Soutenance le 11/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (Toulouse ; 2010-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Bécard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Emmanuel Courty, Sandrine Bonhomme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champignons

Endomycorhizes à vésicules et arbuscules

Mots clés libres

Mycorhize à arbuscule

Hormones

Strigolactones

Perception

Récepteur

Arbuscular Mycorrhizal

Hormones

Strigolactones

Perception

Receptor

Résumé

La symbiose mycorhizienne à arbuscules (MA) est une association symbiotique entre les racines de la majorité des espèces végétales terrestres et des champignons du sol du sous-phylum Glomeromycotina. Tandis que le champignon fournit à la plante de l'eau et des minéraux, la plante lui apporte du carbone sous forme de lipides et de glucides. L'initiation de la symbiose MA implique des molécules diffusibles sécrétées par les deux partenaires. Les strigolactones (SLs) sont des dérivés de caroténoïdes produits par les plantes et exsudés dans le sol. Elles sont nécessaires lors de l'initiation de la symbiose et déclenchent chez les champignons MA des réponses cellulaires, métaboliques et développementales telles que la ramification des hyphes. En plus de leur bioactivité sur les champignons MA, les SLs induisent la germination des graines de plantes parasites et jouent un rôle hormonal dans le développement des plantes. Les diverses SLs naturelles identifiées à ce jour sont composées d'un cycle méthylbuténolide (D) invariable, lié à une partie lactone tricyclique (ABC) variable. Les mécanismes de perception des SLs sont bien documentés chez les plantes : ils impliquent des récepteurs de la famille des alpha/bêta-hydrolases, qui ont la particularité de cliver les SLs et de former une liaison covalente avec le cycle D. L'objectif principal de ma thèse était de mieux comprendre la perception des SLs chez les champignons MA. Dans une première partie de mon travail, j'ai utilisé des analogues de SLs portant un cycle D modifié. J'ai évalué leurs impacts sur le développement du champignon MA Rhizophagus irregularis cultivé in vitro, ainsi que leurs capacités à favoriser l'initiation de la symbiose. Un résultat marquant a été qu'un analogue de SL avec un cycle D non méthylé pouvait inhiber la ramification des hyphes tout en augmentant la capacité de R. irregularis à coloniser les racines d'une plante hôte. Cette observation a montré pour la première fois que l'initiation de la symbiose MA peut être découplée de la ramification du champignon. Dans la deuxième partie de mon projet, j'ai cherché à aborder la nature des récepteurs des SLs chez les champignons MA. J'ai observé que deux inhibiteurs connus pour cibler les récepteurs des SLs chez les plantes suppriment également les réponses de R. irregularis aux SLs. Cela suggère que les récepteurs fongiques partagent des caractéristiques structurals avec ceux des plantes. Par une approche de modélisation, nous avons identifié huit protéines fongiques de la famille des alpha/bêta-hydrolases présentant une structure tridimensionnelle proche de celle d'un récepteur végétal de SLs. L'analyse phylogénétique a révélé une expansion des gènes codant pour ces protéines et des protéines apparentées chez les Glomeromycotina. La caractérisation in vitro de ces protéines a révélé que deux d'entre elles étaient capables de cliver des analogues synthétiques de SL, et que les deux inhibiteurs des récepteurs des SLs de plantes interféraient avec leur activité enzymatique. Collectivement, ces observations soutiennent l'hypothèse selon laquelle les champignons MA ont évolué la capacité de percevoir les SLs par expansion et néo-fonctionnalisation d'alpha/bêta-hydrolases, de façon comparable aux plantes parasites et aux mousses. Un dernier objectif était d'étudier le transfert de phytohormones d'une plante à une autre via des réseaux mycorhiziens communs. Des protocoles expérimentaux ont été conçus et mis en œuvre, mais les analyses biochimiques n'ont pas permis de fournir des preuves concluantes d'un tel transfert. L'ensemble de mon projet de thèse met également en évidence le fait que des signaux moléculaires tels que les SL peuvent être perçus, modifiés ou transportés par un certain nombre d'organismes vivants, et peuvent donc jouer des rôles complexes dans les écosystèmes au-delà de leur classification en tant que phytohormones.

The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis associates the roots of most terrestrial plant species with soil fungi of the Glomeromycotina subphylum. While the fungus provides the plant with water and nutrients, the plant delivers carbon in the form of lipids and carbohydrates to the fungus. The initiation of AM symbiosis involves diffusible molecules secreted by both partners. Strigolactones (SLs) are carotenoid-derived compounds produced by plants and exuded into the soil. They are required at the early stages of symbiosis and trigger in AM fungi cellular, metabolic and developmental responses such as the stimulation of spore germination and hyphal branching. In addition to their bioactivity on AM fungi, SLs induce seed germination of parasitic weeds and act in plants as phytohormones. The diverse natural SLs identified to date comprise a conserved methylbutenolide D-ring, linked to a more variable tricyclic lactone moiety. The mechanisms of SL perception are well documented in plants: they involve receptors belonging to the alpha/beta-hydrolase fold family of proteins, which have the particularity of cleaving SLs and forming a covalent bond with the D-ring. The main objective of my PhD was to better understand SL perception in AM fungi. In a first part of my work, I focused on SL analogs bearing a modified D-ring. I tested their impact on the development of the AM fungus Rhizophagus irregularis grown in vitro, as well as their capacity to favor symbiosis initiation. A striking result was that an SL analog with an unmethylated D-ring could inhibit hyphal branching while enhancing the ability of R. irregularis to colonize host roots. This showed for the first time that initiation of AM symbiosis can be uncoupled from hyphal branching. In the second part of my project, I aimed to gain insight into the nature of SL receptors in AM fungi. I observed that two chemical inhibitors known to target plant SL receptors also suppress responses of R. irregularis to SLs. This suggests that fungal SL receptors share structural similarities with those of plants. By using tridimensional modeling, we identified eight fungal alpha/beta-hydrolase fold proteins sharing structural similarities with a plant SL receptor. Phylogenetic analysis revealed an expansion in Glomeromycotina of genes encoding these and related proteins. In vitro characterization revealed that two of them were able to cleave synthetic SL analogs. Moreover, both inhibitors of plant SL receptors decreased this enzymatic activity. Taken together, these observations lend support to the hypothesis that like parasitic weeds and mosses, AM fungi evolved the capacity to perceive SLs with great sensitivity through expansion and neo-functionalization of alpha-beta hydrolase fold proteins. A final objective was to investigate the transfer of phytohormones from one plant to another via common mycorrhizal networks. Experimental setups were designed and implemented, but biochemical analyses failed to provide conclusive evidence for such a transfer. Nevertheless, it remains important to bear in mind the contribution of these networks to plant-fungus and plant-plant interactions in natural environments. My whole PhD project also highlights that molecular signals such as SLs can be perceived, modified or transported by a number of living organisms, and thus can play complex roles in ecosystems beyond their classification as phytohormones.