Flavonoids and actinorhizal symbiosis : Impact of RNA interference-mediated silencing of chalcone synthase gene on symbiosis between Casuarina glauca and Frankia.

par Khalid Abdel-Lateif

Thèse de doctorat en Biologie Intégrative des Plantes

Sous la direction de Didier Bogusz et de Valérie Hocher.

Le président du jury était Michel Lebrun.

Le jury était composé de Didier Bogusz, Valérie Hocher, Michel Lebrun, Maria P Fernandez, Jean-Jacques Bono, Petar Pujic.

Les rapporteurs étaient Maria P Fernandez, Jean-Jacques Bono.

  • Titre traduit

    Flavonoïdes et symbiose actinorhizienne : effet de l'extinction de l'expression du gène de la chalcone synthase par ARN interférent au cours de la symbiose entre Casuarina glauca et Frankia.


  • Résumé

    Les deux systèmes nodulaires symbiotiques les plus importants au niveau agronomique et environnemental sont, d'une part, les symbioses Rhizobium-légumineuses qui concernent environ 14 000 espèces, et d'autre part, les symbioses entre les plantes actinorhiziennes (environ 200 espèces) et l'actinomycète du sol Frankia. La plupart des plantes actinorhiziennes sont capables de fixer des quantités d'azote comparable à celles des Légumineuses ; ce sont généralement des plantes pionnières capables de coloniser des environnements pauvres en éléments minéraux. Elles représentent donc un atout écologique important. Si la symbiose Rhizobium-légumineuse est très étudiée, les mécanismes moléculaires à l'origine de la formation des nodules actinorhiziens restent actuellement peu connus. Ainsi, chez les Légumineuses, les flavonoïdes sont des molécules-clefs du processus de nodulation, alors que chez les plantes actinorhiziennes, l'implication des flavonoïdes dans la nodulation reste imprécise. L'objectif de cette thèse était de comprendre l'implication des flavonoïdes au cours de l'interaction symbiotique entre l'arbre actinorhizien tropical Casuarina glauca et son symbiote Frankia. L'analyse d'une base de données d'unigènes couplée à celle de données d'expression de puces à ADN a permis l'identification de huit genes de C. glauca impliqués dans la voie de biosynthèse des flavonoïdes. L'étude de leur expression dans les racines par PCR quantitative au cours d'une cinétique d'infection de C. glauca par Frankia a montré que les transcrits de la chalcone isomerase et de l'isoflavone reductase s'accumulaient très tôt après l'inoculation, suggérant ainsi une implication des isoflavonoïdes dans la symbiose actinorhizienne. Nous avons alors utilisé une stratégie d'ARN interférent pour réduire l'expression du gène de la chalcone synthase, la première enzyme de la voie de biosynthèse des flavonoïdes. La réduction de l'expression du gène de la chalcone synthase a provoqué une réduction significative du taux de flavonoïdes dans les racines ainsi qu'une très forte diminution du taux de nodulation chez les plantes transformées. Une restauration du taux de nodulation a pu être obtenu en présence de naringenin, une molécule centrale de la voie de biosynthèse des flavonoïdes.Nos résultats apportent donc, pour la première fois, une évidence directe de l'implication forte des flavonoïdes au cours de la nodulation des plantes actinorhiziennes.


  • Résumé

    Nitrogen-fixing root nodulation, confined to four plant orders, encompasses more than 14,000 Leguminosae species, and approximately 200 actinorhizal species forming symbioses with rhizobia and Frankia bacterial species, respectively. Most actinorhizal plants are capable of high rates of nitrogen fixation comparable to the nitrogen fixing symbiosis between legumes and Rhizobium. As a consequence, these plants are able to grow in poor and disturbed soils and are important elements in plant community worldwide. The basic knowledge of the symbiotic interaction between Frankia and actinorhizal plants is still poorly understood, although it offers striking differences with the Rhizobium-legume symbiosis. In the symbiosis between legumes and Rhizobium, flavonoids are key molecules for nodulation. In actinorhizal plants, the involvement of flavonoids in symbiosis is poorly understood, but because of the similarities of the infection process between some actinorhizal plants and legumes, flavonoids were proposed to act as plant signals for the bacteria Frankia. The objective of this thesis was to investigate the involvement of flavonoids during the actinorhizal nodulation process resulting from the interaction between the tropical tree Casuarina glauca and the actinomycete Frankia.Eight C. glauca genes involved in flavonoid biosynthesis were identified from a unigene database and their expression patterns were monitored by quantitative real-time PCR during the nodulation time course. Our results showed that chalcone isomerase and isoflavone reductase transcripts accumulated preferentially early after inoculation with Frankia, suggesting thus for the first time that isoflavonoids are implicated in actinorhizal nodulation. To go deeper in the understanding of the role of these molecules in actinorhizal symbiosis, we used RNA interference strategy to silence chalcone synthase, the enzyme that catalyzes the first committed step of the flavonoid pathway. Knockdown of chalcone synthase expression led to a strong reduction of specific flavonoids levels and resulted in a severely impaired nodulation. Nodule formation could be rescued by supplementation of plants with naringenin, which is an upstream intermediate in flavonoid biosynthesis. Our results provide, for the first time, direct evidence of a strong implication of flavonoids during actinorhizal nodulation.


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