Rôle des signaux symbiotiques fongiques et de leurs récepteurs dans la mycorhize chez les solanacées

Role of fungal symbiotic signals and their plant receptors in the arbuscular mycorrhiza in Solanaceae plants

• Auteur / Autrice : Yi Ding
• Direction : Benoît Lefèbvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes, interactions biotiques et abiotiques
• Date : Soutenance le 12/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Bécard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Judith Fliegmann, Benoît Poinssot, Sergio Svistoonoff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Symbiose

Solanacées

Mycorhizes

Mots clés libres

Mycorhize

Lipochitooligosaccharide

Chitooligosaccharide

Mycorrhiza

Lipochitooligosaccharide

Chitooligosaccharide

Résumé

L'endosymbiose racinaire entre les plantes et les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) permet un lien intime entre les racines et le sol, et facilite l'accès des plantes aux nutriments du sol. Par conséquent, la mycorhize arbusculaire peut jouer un rôle important dans l'agriculture durable. Les étapes clés de la colonisation des racines par les CMA sont : 1) la pénétration dans le système racinaire à travers les cellules de l'épiderme et du cortex externe, et 2) la formation d'une structure ramifiée, appelée arbuscule, dans le cortex interne, qui permet les échanges entre cellules végétales et hyphes fongiques. Ces étapes dépendent d'un dialogue moléculaire entre plantes et CMA. Les CMA sécrètent des lipo-chitooligosaccharides (Myc-LCO) et des chitooligosaccharides à chaîne courte (Myc-CO) appelés collectivement facteurs Myc, capables d'activer une voie de signalisation végétale essentielle à la colonisation par les CMA. Cette voie, appelée common symbiosis signaling pathway (CSSP), passe par des oscillations de la concentration en calcium dans et autour les noyaux (Ca spiking), utilisées comme marqueur de la perception des facteurs Myc. En tant que molécules contenant du N-acétylglucosamine, les facteurs Myc sont vraisemblablement perçus par des membres des familles multigéniques de Lysin Motif Receptor-Like Kinases (LysM-RLK) ou Lysin Motif Receptor-Like Proteins (LysM-RLP) parmi lesquels plusieurs sont impliqués dans diverses interactions plante-microbe. Les récepteurs impliqués dans la perception des Myc-LCO et Myc-CO, l'activation de la CSSP et la mise en place de la symbiose n'ont cependant pas encore été identifiés. De plus, les rôles respectifs exacts des Myc-LCO et Myc-CO dans l'établissement de la symbiose ne sont pas connus. L'objectif principal de ma thèse était de mieux comprendre le rôle des Myc-LCO et des Myc-CO dans l'établissement de la symbiose chez deux espèces de solanacées (Solanum lycopersicum et Petunia hybrida) à travers l'identification et la caractérisation de leurs récepteurs. Je me suis focalisée sur deux groupes phylogénétiques de LysM-RLK, LYRIA et LYRIB, car il n'y a pas de membre dans ces groupes chez les espèces végétales incapables d'établir la mycorhize arbusculaire. Afin d'étudier le rôle des candidats LysM-RLK dans la perception de Myc-LCO et Myc-CO, j'ai caractérisé les réponses racinaires de type Ca spiking aux Myc-LCO et aux Myc-CO à l'aide du rapporteur de la concentration cellulaire en calcium GECO. En utilisant une approche biochimique, nous avons découvert que la protéine LYRIA de S. lycopersicum, SlLYK10, est capable de se lier spécifiquement aux LCO avec une affinité élevée, et en utilisant une approche génétique, que le gène SlLYK10 est nécessaire pour une colonisation complète par des CMA. De plus, nous avons constaté que le Ca spiking est réduit dans les plantes Sllyk10-1*GECO. Par conséquent, nous avons émis l'hypothèse que les protéines LYRIA sont des récepteurs de Myc-LCO impliqués dans l'activation de la CSSP et l'établissement de la mycorhize arbusculaire. En utilisant des approches similaires, nous avons découvert que la protéine LYRIB de P. hybrida, PhLYK9, est capable de se lier aux LCO et aux CO à chaîne courte avec une affinité élevée et que le gène est probablement également requis pour une colonisation complète par des CMA, ce qui suggère que les protéines LYRIB sont des récepteurs de facteurs Myc aussi impliqués dans l'activation de la CSSP et l'établissement de la mycorhize arbusculaire. De plus, la colonisation par des CMA du double mutant de Phlyk9*Phlyk10 est significativement réduite par rapport aux simples mutants, mais pas complètement bloquée, suggérant que les récepteurs LYRIA et LYRIB sont partiellement redondants pour l'activation de la CSSP, mais que d'autres récepteurs et/ou signaux jouent un rôle supplémentaire redondant dans l'établissement de la mycorhize arbusculaire.

The root endosymbiosis between plants and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) provides an intimate link between plant roots and soils, and helps plants to gather soil nutrients. Therefore, arbuscular mycorrhiza (AM) can play a pivotal role in sustainable agriculture. The key steps for root colonization by AMF are: 1) the penetration in the root system through crossing epidermal/outer cortical cell layers, and 2) the formation of a branched structure, called arbuscule, in the inner cortex, that permits exchanges between plant cells and fungal hyphae. These steps rely on a molecular dialog between plants and AMF. AMF secrete lipo-chitooligosaccharides (Myc-LCOs) and short-chain chitooligosaccharides (Myc-COs) collectively called Myc-factors, able to activate a plant signaling pathway essential for AMF colonization. This pathway, called common symbiosis signaling pathway (CSSP), is mediated by oscillations of calcium concentration in and around nuclei (Ca spiking), used as a marker for Myc-factor perception. As N-acetylglucosamine containing molecules, Myc-LCOs and Myc-COs are expected to be perceived by members of the multigenic families of Lysin Motif Receptor-Like Kinases (LysM-RLKs) or Lysin Motif Receptor-Like Proteins (LysM-RLPs) among which several were shown to be involved in various plant-microbe interactions. The receptors involved in perception of Myc-LCOs and Myc-COs, activation of the CSSP and AM establishment have however not yet been identified. Moreover, the exact respective roles of Myc-LCOs and Myc-COs in AM establishment are not known. Therefore, the main goal of my PhD was to better understand the role of Myc-LCOs and Myc-COs in AM establishment in two Solanaceae species (Solanum lycopersicum and Petunia hybrida) through the identification and characterization of their receptors. I focused on two LysM-RLK phylogenetic groups, LYRIA and LYRIB, because there are no members of these groups in plant species unable to establish AM. In order to study the role of the candidate LysM-RLKs in Myc-LCO and Myc-CO perception, I characterized root Ca spiking responses to LCOs and short-chain COs using the calcium concentration reporter GECO. By using a biochemical approach, we found that the LYRIA protein in S. lycopersicum, SlLYK10, is able to bind LCOs with high affinity and specificity, and using a genetic approach, that the SlLYK10 gene is required for full AMF colonization. Moreover, we found Ca spiking is reduced in Sllyk10-1*GECO plants. Therefore, we hypothesised that the LYRIA proteins are Myc-LCO receptors involved in CSSP activation and AM establishment. By using similar approaches, we found that the LYRIB protein in P. hybrida, PhLYK9, is is able to bind LCOs and short-chain COs with high affinity and the gene is likely also required for full AMF colonization, suggesting that LYRIB proteins are Myc-factor receptors involved in CSSP activation and AM establishment. Moreover, the AMF colonization of double mutant of Phlyk9*Phlyk10 was significantly reduced compared to single mutants, but not completely abolished, suggesting that the LYRIA and LYRIB receptors are partially redundant for CSSP activation but that some other receptor(s) and/or other signal(s) play additional redundant role in AM establishment.