Coordination entre l'épiderme et le cortex dans l'établissement des endosymbioses racinaires chez Medicago truncatula : rôle du gène DMI3 codant une protéine calcium et calmoduline dépendante

par Pauline Rival

Thèse de doctorat en Agrosystèmes, écosystèmes et environnement

Sous la direction de Charles Rosenberg et de Jean-Jacques Bono.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Depuis qu'elles ont conquis la surface de la terre, les plantes ont développé de nombreuses stratégies pour faire face aux carences en eau et en nutriments essentiels de leur environnement. L'une des plus fascinantes est sans doute la mise en place d'endosymbioses racinaires avec des microorganismes du sol. Ainsi les champignons mycorhiziens à arbuscules (AM), qu'on trouve associés avec 80% des espèces végétales terrestres, permettent aux plantes d'utiliser plus efficacement les ressources du sol en phosphate et en eau. Les bactéries du sol fixatrices d'azote regroupées sous le terme de rhizobia sont, quant à elles, capables de s'associer aux plantes de la famille des légumineuses et d'induire la formation, sur les racines de leurs hôtes, d'organes spécialisés, les nodules. Dans ces nodules, elles convertissent l'azote moléculaire en ammoniac au profit de la plante, et reçoivent en retour des hydrates de carbone. La légumineuse modèle Medicago truncatula est capable d'interagir à la fois avec les champignons AM et avec la bactérie fixatrice d'azote Sinorhizobium meliloti. Cette interaction avec S. Meliloti débute par un échange de signaux entre les deux partenaires où les molécules symbiotiques clefs sont des lipo-chito-oligosaccharides d'origine bactérienne appelées facteurs Nod (FN). La reconnaissance par la plante des FN déclenche une cascade de signalisation dans les cellules racinaires qui implique plusieurs gènes, dont certains sont également nécessaires à l'établissement de la symbiose AM. Parmi ces gènes communs, DMI3 code une protéine kinase calcium et calmoduline dépendante (CCaMK). Cette CCaMk possède une structure présentant une double sensibilité au calcium et pourrait donc avoir pour rôle de décoder les signatures calciques associées à la mise en place des symbioses rhizobienne et mycorhizienne. Alors que l'infection rhizobienne débute dans l'épiderme racinaire, les divisions cellulaires à l'origine de l'organogénèse nodulaire ont lieu à plusieurs assises cellulaires de distance, au niveau du cortex interne de la racine. Les mécanismes qui régissent la coordination entre ces deux processus ne sont pas connus. Notre travail avait pour objectif d'analyser le rôle du gène DMI3 dans l'épiderme et le cortex racinaires au cours de l''infection (rhizobienne et mycorhizienne) et de l'organogenèse du nodule, ainsi que son implication dans la coordination entre ces deux processus. Nous avons d'abord analysé le profil d'expression de DMI3 dans les racines et les nodules au moyen d'une fusion transcriptionnelle pDMI3::GUS. Nous avons ensuite effectué des expériences de complémentation d'un mutant dmi3 avec le gène DMI3 sous le contrôle de promoteurs tissus spécifiques, afin de restreindre son expression soit à l'épiderme soit au cortex. Par cette approche, nous avons montré que l'expression épidermique de DMI3 restaure la formation de cordons d'infection dans les poils absorbants, mais ceux-ci restent bloqués à la base de la cellule épidermique et ne progressent pas dans la cellule corticale où DMI3 n'est pas exprimé. De même lors de l'inoculation par le champignon mycorhizien Rhizophagus irregularis, les hyphes pénètrent dans les cellules épidermiques mais y restent bloqués. Ces résultats suggèrent que les infections mycorhizienne et rhizobienne sont contrôlées par DMI3 de manière cellule autonome. En ce qui concerne l'organogenèse du nodule, celle-ci n'est pas observée lorsque l'expression de DMI3 est restreinte soit à l'épiderme, soit au cortex, mais est restaurée lorsque DMI3 est exprimé dans les deux tissus. A partir de ces résultats, nous proposons un modèle dans lequel DMI3 serait impliqué dans la production d'un signal mobile dans l'épiderme, dont le rôle serait d'activer DMI3 dans le cortex pour déclencher l'organogenèse nodulaire.

  • Titre traduit

    Coordination between the epidermis and the cortex during the establishment Medicago truncatula root endosymbioses : role of the DMI3 gene encoding a calcium and calmoduline dependant protein kinase


  • Résumé

    Since their arrival on terrestrial landscapes, plants have evolved many strategies to escape water and nutrient deficiency. One of the more fascinating ways is the establishment of root endosymbioses with soil microorganisms. Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi form symbiotic associations with 80% of terrestrial plants, which facilitate plant's phosphate and water nutrition. Soil bacteria collectively called rhizobia can form a nitrogen fixing symbiosis with legume plants and lead to the development of a specialized root organ, the nodule, in which they convert molecular dinitrogen into ammonia to the benefit of the plant, and receive carbohydrates in exchange. The model legume Medicago truncatula can interact both with AM fungi and with the nitrogen fixing bacteria Sinorhizobium meliloti. A signal exchange between the two partners is the starting point of the rhizobial interaction where key symbiotic molecules are bacterial lipo chitooligosaccharides called Nod Factor (NFs). The recognition by the plant of NFs triggers a signalling cascade in the root cells which involves several genes, some of which being also required for the establishment of the AM symbiosis. Among them DMI3 encodes a calcium and calmodulin dependent protein kinase (CCaMK). Since the CCaMK can bind calcium directly through EF-hands or via calmodulin (CaM), it is thought to decipher the calcium signatures triggered very early during the rhizobial and mycorrhizal symbiotic associations. Interestingly, while rhizobial infection is initiated at root epidermis, cell divisions which will lead to nodule primordium formation occur simultaneously in the cortex, several cell layers away from the infection site. How these two processes are coordinated remains poorly understood. The objective of our work was to analyse the role of DMI3 in the root epidermis and cortex during the infection (by rhizobia or AM fungi) and the nodule organogenesis, and its involvement in the coordination of these two processes. We first analysed the expression profile of DMI3 in roots and nodules using a pDMI3::GUS transcriptional fusion. We then performed complementation experiments of a dmi3 mutant with the DMI3 gene under the control of tissue-specific promoters, to restrict the expression of DMI3 either to the epidermis or to the cortex. By this approach, we showed that the epidermal expression of DMI3 allowed the initiation of infection threads which developed normally but aborted when they reached the apposed cortical cell where DMI3 was not expressed. Similarly, upon inoculation with the AM fungus Rhizophagus irregularis, the hyphae penetrate in the epidermis but remain blocked in the epidermal infected cell. These results suggest that both rhizobial and mycorrhizal infection are controlled by DMI3 in a cell autonomous way. Nodule organogenesis was not observed when DMI3 expression was restricted either to the epidermis or to the cortex, but was restored when DMI3 was expressed in both tissues. From these results, we propose a model in which DMI3 is involved in the production of a mobile signal in the epidermis, whose role would be to activate DMI3 in the cortex to trigger early nodule organogenesis.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (97 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 78-97

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0008
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