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Thèse de doctorat

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Titre

Évolution expérimentale d'un symbiote de légumineuse : étude des facteurs génétiques et des forces de sélection qui favorisent ou non l'évolution du mutualisme

Auteur

Daubech, Benoit

Directeur de thèse

Masson-Boivin, Catherine

Marchetti, Marta

Date de soutenance

2019-10-21

Établissement de soutenance

Université de Toulouse

Université Toulouse III - Paul Sabatier

École doctorale

Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (SEVAB)

Structure de recherche

Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes (LIPM), UMR 2594

Discipline

Interactions Plantes-microorganismes

Sujet

Sciences du vivant

Mots-clés en français

Symbiose

Évolution

Fixation d'azote

R. solanacearum

C. taiwanensis

M. pudica

Infection

Sanctions

Facteurs Nod

Résumé en français

La symbiose qui s'établit entre les légumineuses et les bactéries appelées rhizobia est un processus complexe qui aboutit à la formation d'un nouvel organe végétal, le nodule, dans lequel les bactéries internalisées (bactéroïdes) fixent l'azote atmosphérique au profit de leur hôte. Les rhizobia ne constituent pas un groupe taxonomique homogène. Ils appartiennent à une quinzaine de genres dispersés au sein des α- and ß-protéobactéries. Les rhizobia auraient évolué à partir du transfert horizontal de gènes essentiels à la symbiose, suivi d'une réorganisation du génome d'accueil sous pression de sélection de la plante permettant une activation et/ou optimisation du potentiel symbiotique acquis. Ce scénario évolutif a été reproduit en laboratoire par une approche d'évolution expérimentale. Le plasmide symbiotique du symbiote de Mimosa pudica, Cupriavidus taiwanensis LMG19424, a été introduit dans la bactérie pathogène de plante Ralstonia solanacearum GMI1000. A partir de cette bactérie chimère 18 lignées parallèles ont été évoluées par des cycles successifs d'inoculation à M. pudica et ré-isolation des bactéries des nodules. Après 16 cycles d'évolution, trois observations ont été faites : i) les bactéries évoluées ne fixent pas l'azote et l'évolution vers le mutualisme n'est donc pas achevée à ce stade, ii) un gène de fonction inconnue semble important pour l'infection intracellulaire, et iii) les mutations permettant l'acquisition et/ou l'amélioration de l'infection des cellules du nodule semblent également améliorer la nodulation. Afin d'identifier les conditions favorables à l'émergence du mutualisme dans l'expérience d'évolution et potentiellement dans la nature, nous avons analysé la dynamique spatio-temporelle de deux sous-populations quasi isogéniques de C. taiwanensis, l'une fixatrice d'azote (Fix+) et l'autre non fixatrice (Fix-), au cours du processus symbiotique avec M. pudica. Nous avons observé une dégénérescence précoce et sélective des Fix-, y compris lorsqu'ils partagent un même nodule avec des Fix+, et établit la cinétique d'expansion des Fix+ au cours du temps. A partir d'un modèle mathématique et de validations expérimentales, nous avons prédit que de rares Fix+ envahiraient une population majoritairement Fix- au cours de cycles successifs de nodulation avec une probabilité fonction de la taille initiale de l'inoculum, du nombre de plantes inoculées et de la longueur des cycles. Par la suite nous avons étudié le rôle d'un gène du plasmide symbiotique de C. taiwanensis, dont la délétion dans l'une des lignées était responsable d'un défaut d'infection intracellulaire. Nous avons montré que ce gène, appelé noeM, est un gène de nodulation impliqué dans la biosynthèse de facteurs Nod atypiques où le sucre réducteur est ouvert et oxydé. noeM est principalement détecté dans des isolats de plantes appartenant à la tribu des Mimoseae, et particulièrement chez les souches capables de noduler M. pudica. Les gènes noeM forment un clade phylogénétique à part et spécifique des rhizobia. Un mutant ΔnoeM de C. taiwanensis s'est avéré affecté pour la nodulation de M. pudica, confirmant son rôle dans la symbiose avec cette légumineuse. Enfin, l'analyse cytologique détaillée de l'infection racinaire de M. pudica par C. taiwanensis et quelques souches de R. solanacearum portant une mutation adaptative de l'infection intracellulaire a été initiée, afin d'analyser l'impact de ces mutations sur les étapes symbiotiques précoces.

Résumé en anglais

The symbiosis between legumes and bacteria, known as rhizobia, is a complex process resulting in the formation of a novel plant organ, the nodule, in which internalized bacteria (bacteroids) fix nitrogen to the benefit of the host plant. Rhizobia do not form a homogeneous taxonomic group. They belong to a dozen of genera scattered within α- and ß-proteobacteria. Rhizobia may have evolved from horizontal transfer of key symbiotic genes, followed by genome remodeling under plant selection pressure, allowing the activation and/or optimization of the acquired symbiotic potential. This evolutionary scenario is being replayed in the laboratory using an experimental evolution approach. The symbiotic plasmid of the Mimosa pudica symbiont, Cupriavidus taiwanensis LMG19424, was introduced into the plant pathogen Ralstonia solanacearum GMI1000. 18 parallel lineages were derived from this chimeric ancestor using serial cycles of inoculation with M. pudica and re-isolation of bacteria from the nodules. After 16 cycles of evolution, three observations were done: i) the evolved bacteria do not fix nitrogen and evolution towards mutualism is not completed, ii) a gene of unknown function seems to be involved in intracellular infection and iii) the mutations that allow and/or improve intracellular infection also improve nodulation capacity. To determine conditions that favor the emergence of mutualism in the laboratory and possibly in nature, we analyzed the spatio-temporal dynamics of two quasi-isogenic sub-populations of C. taiwanensis, one nitrogen-fixing (Fix+) and the other not (Fix-), along their symbiotic process with M. pudica. We observed an early degenerescence of Fix- bacteroids, even when they share a nodule with Fix+, and established the kinetics of Fix+ expansion along time. Using mathematical modeling and experimental validations, we predicted that rare Fix+ will invade a population dominated by non-fixing bacteria during serial nodulation cycles with a probability that is function of initial inoculum, plant population size and nodulation cycle length. Then, we studied the role of a C. taiwanensis symbiotic plasmid gene, whose deletion in one lineage was responsible of intracellular infection defect. We showed that this gene, called noeM, is a novel nodulation gene involved in the biosynthesis of atypical Nod factors where the reducing sugar is open and oxidized. noeM was mostly found in isolates of the Mimoseae tribe, especially in all strains able to nodulate M. pudica. The noeM genes form a separate phylogenetic clade containing only rhizobial genes. A noeM deletion mutant of C. taiwanensis was affected for the nodulation of M. pudica confirming the role of noeM in the symbiosis with this legume. Last, we initiated the detailed cytological analysis of M. pudica root infection by C. taiwanensis and a few strains bearing adaptive mutations for intracellular infection, in order to analyze the effect of these mutations on early symbiotic stages.

Numéro national de thèse

2019TOU30338

Date de publication

2022-01-20T09:11:33