Analysis of molecular mechanisms involved in exchange of nutrients between the fungus and the host plant within the ectomycorrhizal symbiosis

par Muhammad Zulqurnain Haider

Thèse de doctorat en Biologie Intégrative des Plantes

Sous la direction de Hervé Sentenac.

Soutenue le 14-12-2011

à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Hervé Sentenac, Michel Lebrun, Annick Brun, Sabine Zimmermann.

Les rapporteurs étaient Gilles Gay, Daniel Wipf.

  • Titre traduit

    Analyse des mécanismes moléculaires responsables des échanges de solutés nutritifs entre le champignon et l'arbre dans la symbiose ectomycorhizienne


  • Résumé

    La symbiose mycorhizienne entre les champignons du sol et les racines de la plupart des plantes constitue une relation à bénéfice réciproque et joue un rôle majeur dans la productivité des écosystèmes. Les récentes avancées dans le domaine ont abouties à l'identification et à la caractérisation fonctionnelle de nombreux systèmes de transport du partenaire fongique. Le travail présenté s'inscrit dans le cadre de développement d'outils permettant la localisation de gènes d'intérêts du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum et de leur caractérisation fonctionnelle. Les systèmes de transport candidats ont été identifiés au sein d'une banque EST du champignon et semblent impliqués dans les échanges de phosphate (Pi) et de potassium (K+) entre Hebeloma et la plante hôte Pinus pinaster. Une stratégie de fusion transcriptionnelle utilisant l'EGFP comme gène rapporteur a été développée pour permettre la localisation de deux transporteurs de phosphate, HcPT1 et HcPT2, d'un transporteur de potassium, HcTrk1, et d'un canal potassique de type Shaker, HcSKC1, dans les hyphes en culture pure et au sein de l'ectomycorhize. Les Agrotransformations de la souche h7 d'Hebeloma avec des vecteurs de fusion transcriptionnelle ont montré une expression mycélienne de l'EGFP sous contrôle des promoteurs de nos gènes d'intérêts. Sous contrôle des différents promoteurs, l'expression de l'EGFP apparait comme étant site-spécifique dans les hyphes différenciés des ectomycorhizes. Le promoteur du transporteur de Pi HcPT1 induit l'expression du gène rapporteur au niveau des hyphes extramatriciels et du manteau mycélien entourant la racine. De plus, son expression est stimulée en cas de carence en Pi, indiquant ainsi l'implication de ce transporteur dans la récupération du Pi du sol lorsque celui-ci devient limitant. Pour ce qui est du promoteur de HcTrk1, il permet l'expression de l'EGFP dans les hyphes extraracinaires et dans le manteau, tandis que celui de HcSKC1 permet son expression au niveau du réseau de Hartig et du manteau. Ceci indique, qu'ils semblent respectivement participer à la récupération du K+ du sol et à son excrétion vers la plante. Pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle de nos systèmes de transport candidats, un second canal potassique, HcSKC2, a été isolé à partir de la souche h1 et exprimé dans des ovocytes de xénope. Tout comme HcSKC1, HcSKC2 n'a pas été actif en système d'expression hétérologue. Cependant, des fusions traductionnelles avec l'EGFP ont montré que la protéine HcSKC2 est bien dirigée à la membrane. En perspective, la caractérisation fonctionnelle de ce canal issue de la souche h7 récemment séquencée sera tentée.


  • Résumé

    The mycorrhizal symbiosis made it possible the first plants to conquest emerged lands and is a major biological phenomenon of terrestrial ecosystems. The fungal partner efficiently takes up nutritive ions from the soil solution and transfers them to the host plants in exchange for photosynthetates. However, despite the importance of this symbiosis on ecosystem productivity, our knowledge about molecular processes controlling this symbiotic interaction and solute transports at the membrane level is very scarce. The objective of the project aims at dissecting part of the molecular mechanisms required for a functional ectomycorrhizal symbiosis associated with most of the woody species from boreal and temperate forests, by focusing on K+ exchanges occurring through the continuum soil-hyphae-plant. The general aim of the project is to gain new insights into the molecular mechanisms responsible for the polarization and differentiation of the plasma membrane between the site of nutrient uptake and the site of efflux into the apoplastic space in the ectomycorrhizal root. The team "Canaux Ioniques – Ion channels" has obtained an EST library of the fungus Hebeloma cylindrosporum (1) and has identified and characterized a potassium transporter of the Trk family (2). Also a Shaker-type potassium cannel was identified within the EST library but it is not yet functionally characterized. A second transcript was found from this channel with a longer N-terminus compared to the first transcript isolated in the beginning. Also, a sugar transporter was identified among the ESTs that could participate in the absorption of sugars, coming from the host plant, by the fungus. The objective of the PhD thesis is the functional characterization of these fungal transport systems as well as their localization. The functional characterization of these candidate genes will be accomplished using heterologous expression systems (Xenopus oocytes, COS cells, complementation of yeast mutants) and by the means of electrophysiology. Localization of genes within the fungus being in symbiotic interaction with the host plant, the tree Pinus pinaster, will help to better understand the role of the transport systems. The differentiation of the fungus, when establishing symbiosis, into the specialized interfaces soil-fungus and fungal cell- host plant cell within the ectomycorrhiza (Hartig net) is probably accompanied by a specific expression of transport proteins and ion channels

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