Étude moléculaire des étapes précoces de la symbiose actinorhizienne Casuarina-Frankia : analyse fonctionnelle des gènes de la plante hôte contrôlant l’infection

par Faïza Meriem Benabdoun

Thèse de doctorat en Biologie Intégrative des Plantes

Sous la direction de Claudine Franche et de Nadia Ykhlef.

Soutenue le 02-12-2012

à Montpellier 2 en cotutelle avec l'Université Mentouri (Constantine, Algérie) , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec DIADE - Diversité et Adaptation et Développement des plantes (laboratoire) .


  • Résumé

    Étude moléculaire des étapes précoces de la symbiose actinorhizienne Casuarina-Frankia : analyse fonctionnelle des gènes de la plante hôte contrôlant l'infectionPlus de 80% des plantes peuvent établir une symbiose racinaire avec des champignons de l'ordre des Glomales et former des endomycorhizes à arbuscules (AM). En revanche, seules certaines espèces appartenant à dix familles d'angiospermes réunies dans le Clade des Eurosidées I peuvent établir une symbiose racinaire fixatrice d'azote. Il s'agit d'une part, des plantes de la famille des légumineuses (Fabacées) et de Parasponia associées à Rhizobium et d'autre part, des plantes actinorhiziennes associées à l'actinomycète Frankia. Comme chez les légumineuses, la symbiose actinorhizienne aboutit à la formation de nodosités (ou « nodules »), siège de la fixation d'azote par les bactéries. Cependant, contrairement aux nodules des légumineuses, le nodule actinorhizien présente une structure et un développement s'apparentant aux racines latérales. L'étude des nodosités actinorhiziennes est donc particulièrement intéressante tant pour rechercher les spécificités de cette symbiose, que pour déterminer quelles sont les caractéristiques communes avec les légumineuses. Nous avons étudié le rôle du gène CCaMK dans le processus symbiotique et l'organogenèse nodulaire chez l'arbre actinorhizien Casuarina glauca. CCaMK code pour une protéine kinase dépendante du calcium et de la calmoduline (« calcium and calmodulin dependent protein kinase »). Dans la cascade de signalisation conduisant à la nodulation et à la mycorhization chez les légumineuses, ce gène est positionné en aval des oscillations calciques (« calcium spiking ») qui ont lieu durant les premières étapes de l'interaction symbiotique. CCaMK jouerait un rôle dans la perception et le décodage des oscillations calciques, ainsi que leur transduction aux différents composants contrôlant les endosymbioses racinaires. Nous avons suivi l'expression spatio-temporelle de la fusion transcriptionnelle PromCgCCaMK::GUS au cours de la nodulation et montré que celle-ci était corrélée à la présence de Frankia tout au long du processus symbiotique, soulignant ainsi le rôle clé de CCaMK dans l'infection. Par ailleurs, nous avons cherché à déterminer l'importance du domaine autoinhibiteur de la protéine CCaMK dans l'activation du processus d'organogenèse du nodule. Pour cela, nous avons réalisé et introduit chez C. glauca des constructions géniques de CgCCaMK permettant l'expression de formes tronquées constitutivement actives, car dépourvues du domaine autoinhibiteur/CaM. Nous avons aussi utilisé des formes tronquées du gène MtCCaMK de Medicago truncatula. L'expression de ces formes tronquées de CCaMK a révélé que la levée de l'autoinhibition induit la formation de nodules spontanés indépendamment de l'actinobactérie Frankia. Les résultats obtenus suggèrent que la protéine dérégulée est capable de réactiver la voie de signalisation, ainsi que les gènes situés en aval de CCaMK, qui sont nécessaires à l'organogenèse nodulaire.Mots clés : Casuarina glauca, Frankia, CCaMK, infection, autoinhibition, nodules spontanés

  • Titre traduit

    Molecular study of the early stages of actinorhizal symbiosis Casuarina-Frankia : functional analysis of the host plant genes controlling the infection


  • Résumé

    Molecular study of the early stages of actinorhizal symbiosis Casuarina-Frankia: functional analysis of the host plant genes controlling the infectionMore than 80% of plant species are able to develop arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis in association with glomeromycete fungi. In contrast, only some species of the Eurosid I clade, confined to four orders and ten Angiosperm families, are able to form nitrogen-fixing root nodule symbioses with soil bacteria. This concerns plants of the legume family (Fabaceae) and Parasponia associated with Rhizobium bacteria and actinorhizal plants associated with the actinomycete Frankia. Similarly to Legumes, the actinorhizal symbiosis results in the formation of nitrogen-fixing root nodules. However, unlike legume nodule, the actinorhizal nodule has a same origin and structure than a lateral root. Thus, the study of actinorhizal nodules is of particular interest not only for investigating its specific properties but also, for determining common characteristics shared with legume nodules.We have studied the role of CgCCaMK gene during the symbiotic process and nodule organogenesis in the actinorhizal tree Casuarina glauca. CCaMK encodes a calcium and calmodulin dependent protein kinase. In the signalisation cascade leading to both nodulation and mycorrhization in legumes, this gene is acting downstream the calcium oscillations (« calcium spiking ») that occur during the early steps of the symbiotic interaction. It has been suggested that these calcium oscillations are decoded and transduced by the CCaMK protein.We have monitored the spatio-temporal expression of a PromCgCCaMK::GUS fusion during actinorhizal nodulation and have shown that reporter gene expression was correlated with the presence of Frankia along the symbiotic process. This data highlights the role of CgCCaMK during Frankia infection. In addition, we have investigated the role of the CCaMK autoinhibitory/CaM domain in actinorhizal nodule organogenesis. To achieve this goal, we have obtained truncated versions of CgCCaMK lacking the autoinhibitory/CaM domain, and then expressed them into C. glauca. We have also used truncated forms of MtCCaMK from Medicago truncatula. The expression of these CCaMK constructs from C. glauca and M. truncatula was found to induce spontaneous nodulation in the absence of Frankia bacteria. These results suggest that deregulation of the calcium and calmodulin dependent protein kinase is able to reactivate the symbiotic signalling pathway and genes acting downstream CCaMK that are needed for nodule organogenesis.Key words: Casuarina glauca, Frankia, CCaMK, infection, autoinhibition, spontaneous nodules


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