Mécanismes moléculaires d'une symbiose rhizobienne sans facteurs Nod ni cordon d'infection chez la légumineuse tropicale Aeschynomene evenia

Molecular mechanisms of a rhizobial symbiosis without Nod factors and infection thread in the tropical legume Aeschynomene evenia

• Auteur / Autrice : Natasha Horta araujo
• Direction : Jean-francois Arrighi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : BDI-Biologie des Interactions symbiotiques et parasitaires
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHIM - Plant Health Institute Montpellier

Mots clés

Mots clés libres

Légumineuse

Récepteurs

Symbiose

Signalisation

Aeschynomene

Symbiosis

Aeschynomene

Legume

Receptors

Signaling

Résumé

Les légumineuses jouent un rôle écologique et agronomique majeur en raison de leur capacité à fixer l'azote atmosphérique en symbiose avec les rhizobiums qu'elles hébergent dans des nodules. Pour comprendre les mécanismes de cette symbiose fixatrice d'azote, des cribles génétiques ont été réalisés sur deux légumineuses modèles tempérées, Medicago truncatula et Lotus japonicus, permettant de mettre à jour de nombreux acteurs moléculaires (Roy et al., 2020). Il a ainsi été révélé des mécanismes sophistiqués dans lesquels des molécules signal clé produites par le partenaire rhizobien, les facteurs Nod, sont reconnus de façon spécifique par la plante-hôte. Cette reconnaissance active une voie de signalisation Nod qui contrôle deux programmes symbiotiques : un programme d'infection avec la formation de cordons d'infection contenant les rhizobiums et un programme d'organogenèse impliquant l'induction à distance d'un primordium nodulaire. Finalement, les rhizobiums sont endocytés dans des cellules du primordium qui est à l'origine du nodule fixateur d'azote. Un des nouveaux enjeux des recherches menées sur la nodulation est de caractériser l'évolution et la diversité des mécanismes symbiotiques pour comprendre ce qui est vraiment essentiel (van Velzen et al., 2018). Pour explorer des processus symbiotiques alternatifs à ceux décrits chez M. truncatula et L. japonicus, une légumineuse tropicale a émergé comme modèle d'étude complémentaire de la nodulation, Aeschynomene evenia (Arrighi et al., 2012). A. evenia possède la propriété unique d'être efficacement nodulée par des Bradyhrizobium photosynthétiques qui ne produisent pas de facteur Nod (Giraud et al., 2007). Ce processus symbiotique correspond donc à une « symbiose Nod-indépendante » par opposition au modèle général. De plus, A. evenia partage avec d'autres légumineuses comme l'arachide et le lupin, un processus d'infection qui ne passe pas par la formation de cordon d'infection mais qui se fait de façon intercellulaire. Dans ce cas, les nodules sont formés par divisions successives de cellules initialement infectées par les rhizobiums. L'équipe d'accueil a réalisé la dissection génétique de cette symbiose Nod-indépendante chez A. evenia, en développant un génome de référence et une collection de 250 mutants de nodulation (Quilbé et al., 2021 ; Chaintreuil et al., 2016). La caractérisation de ces mutants a notamment conduit à l'identification de mutations dans plusieurs gènes de la voie de signalisation Nod mais pas dans ceux codant les récepteurs symbiotiques classiques. Cette approche de génétique directe a également été fructueuse pour découvrir plusieurs gènes codant des récepteurs nouveaux. L'objectif de ce projet de thèse est de préciser maintenant le rôle des récepteurs nouvellement identifiés lors de l'interaction symbiotique (étapes de perception, transduction du signal, initiation de l'infection) chez A. evenia et également de caractériser l'évolution des récepteurs symbiotiques (classiques et nouveaux) pour permettre la symbiose Nod-indépendante. Ce travail sera majeur pour décrire des mécanismes symbiotiques originaux chez les légumineuses.

Legumes are of prime ecological and agronomic importance due to their ability to fix atmospheric nitrogen during symbiosis with rhizobia which are hosted in root nodules. To understand the mechanisms of this nitrogen-fixing symbiosis, genetic screens were performed on two temperate model legumes, Medicago truncatula and Lotus japonicus, revealing numerous molecular players (Roy et al., 2020). Thus, it was revealed sophisticated mechanisms whereby key signal molecules produced by the rhizobial partner, referred as Nod factors, are recognized in a specific fashion by the host plant. This recognition triggers a Nod signaling pathway that controls two symbiotic processes: an infection program with the formation of an infection thread containing the rhizobia and an organogenesis program involving the distant induction of a nodule primordium. Finally, rhizobia are endocyted in primordium cells that give rise to the nitrogen-fxing nodule. One main issue of the current research is to characterize the evolution and diversity of symbiotic mechanisms to understand what is really essential for nodulation (van Velzen et al., 2018). To investigate symbiotic processes that are alternative to those described in M. truncatula et L. japonicus, a tropical legume species has emerged as a complementary study model, Aeschynomene evenia (Arrighi et al., 2012). A. evenia has the unique property to be efficiently nodulated by photosynthetic Bradyrhizobium strains that do no produce Nod factors (Giraud et al., 2007). This symbiotic process is refered as being a “Nod-independent symbiosis, in contrast to the general model. What's more, A. evenia has in common with other legume species such as peanut and lupine, an infection process that does not involve infection thread formation. Instead it is mediated in an intercellular fashion. In that case, nodule formation directly results from the division of infected cells, following bacterial endocytosis. The welcoming group has conducted the genetic dissection of the Nod-independent symbiosis on A. evenia, by producing a reference genome and a collection of 250 nodulation mutants (Quilbé et al., 2021 ; Chaintreuil et al., 2016). Characterization of mutants conspicioulsy lead to the identification of mutations in several genes of the Nod signaling pathway but not of those coding for the classical upstream symbiotic receptors. This forward genetic approach also successfully lead to the discovery of several genes encoding novel receptors. The objective of the PhD thesis is to specify now the role of the newly identified receptors during the symbiotic interaction (steps of perception, signal transduction, infection inception) in A. evenia but also to characterize the evolution of symbiotic receptors (classical and novel ones) to enable the Nod-independent symbiosis. This work will be of prime importance to decipher original symbiotic mechanisms in legumes.