The roles of the NOOT-BOP-COCH-LIKE genes in the symbiotic organ identity and in plant development

par Kévin Magne

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Pascal Ratet.

Soutenue le 11-12-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut des Sciences des Plantes de Paris-Saclay (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

  • Titre traduit

    Les rôles des gènes NOOT-BOP-COCH-LIKE dans l’identité de l’organe symbiotique et le développement des plantes.


  • Résumé

    L’association symbiotique entre les légumineuses et les rhizobia aboutit à la formation de la nodosité fixatrice d’azote. Cet organe symbiotique généré de-novo permet l’hébergement intracellulaire des rhizobia qui, grâce à leurs activités nitrogénase,réduisent l’azote atmosphérique en ammonium, une forme de l’azote directement assimilable par la plante hôte.Les mécanismes moléculaires sous-jacents à la reconnaissance entre les deux partenaires symbiotiques, au processus d’infection et à l’organogénèse de la nodosité sont bien décrits, cependantl’établissement et la maintenance de l’identité de cet unique organe souterrain restent incompris.Les gènes NODULE-ROOT de Medicago truncatula, BLADEON-PETIOLE d’Arabidopsis thaliana et COCHLEATA de Pisumsativum sont membres du clade spécifique très conservé NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) qui fait partie de la famille des gènesNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE. Chez les légumineuses, les membres de ce clade NBCL1 sont connus comme étant des régulateurs clés de l’identité de l’organe symbiotique.Mon travail de thèse a eu pour but d’améliorer la compréhension des rôles des gènes NBCL1, à la fois chez des espèces formant des nodosités indéterminées et déterminées, ainsi que de découvrir de nouveaux acteurs moléculaires impliqués dans l’identité de la nodosité dont la régulation est dépendante des gènesNBCL1, essentiellement par l’utilisation de mutants TILLING, Tnt1et LORE1 originaux chez trois espèces de légumineuses: la luzerne tronquée, le petit pois et le lotier.Ce travail rapporte essentiellement l’identification et la caractérisation de nouveaux mutants affectés dans des gènes qui font partie d’un second sous-clade NBCL2 spécifique des légumineuses.Nous avons révélé que les membres de ce sous-clade spécifique des légumineuses NBCL2 jouent d’importants rôles dans le développement de la nodosité, dans l’établissement et la maintenance de l’identité de la nodosité et par conséquence dans le succès et l’efficacité de l’association symbiotique.Ce travail suggère aussi qu’au cours de l’évolution, le programme de développement de la nodosité a recruté des mécanismes de régulations préexistants afin de réguler le développement de la nodosité et son identité, tel que le module de régulation impliquant des interactions entre des protéines NBCL et des facteurs de transcriptions basic leucine zipper de type TGACG. Nous avons identifié le facteur de transcription MtPERIANTHIA-LIKE, comme un premier partenaire protéique interagissant avec des protéines NBLC dans un contexte de nodosité symbiotique. Les gènes NBCL sont aussi impliqués dans les réseaux de régulations qui contrôlent le développement et le déterminisme de nombreux organes végétatifs et reproductifs aériens et sont également impliqués dans la capacité d’abscission de ces organes.Finalement, ce travail thèse a eu pour objectif d’explorer les rôles de ces gènes NBCL très conservés, dans le développement de la graminée non-domestiquée, Brachypodium distachyon.


  • Résumé

    The symbiotic interaction between legumes andrhizobia results in the formation of a symbiotic nitrogen fixingnodule.This de-novo generated symbiotic organ allows the intracellularaccommodation of the rhizobia which reduces through theirnitrogenase activity the atmospheric nitrogen in ammonium, anitrogen form usable by the host plant.The molecular mechanisms underlying the symbiotic partnersrecognition, the infection process and the nodule organogenesis arewell described, however the identity establishment and maintenanceof this unique underground organ remain mis-understood.The Medicago truncatula NODULE-ROOT, the Arabidopsisthaliana BLADE-ON-PETIOLE and the Pisum sativumCOCHLEATA genes are members of a highly conserved NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) specific clade that belongs to theNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE gene family. In legumes, the members of this NBCL1 cladeare known as key regulators of the symbiotic nodule identity.The present thesis work aims to better understand the roles of theNBCL1 genes, in both indeterminate and determinate nodule formingspecies and to discover new molecular actors involved in theNBCL1-dependent regulation of the nodule identity essentially usingnovel TILLING, Tnt1 and LORE1 insertional mutants in three legumespecies, Medicago, Pisum and Lotus.This thesis work has allowed the identification and thecharacterization of new mutants for genes belonging to a secondarylegume-specific NBCL2 sub-clade. We revealed that the members ofthis legume-specific NBCL2 sub-clade play important roles in noduledevelopment, identity establishment and maintenance, andconsequently in the success and in the efficiency of the symbioticassociation.This thesis work also shows that during evolution, the noduledevelopmental program has recruited pre-existing regulatorymechanisms for the nodule development and identity, such as theregulatory module involving interactions between NBCL proteins andTGACG type basic leucine zipper transcription factors. We identifiedthe transcription factor, MtPERIANTHIA-LIKE, as a first interactingpartner of NBCL proteins in a context of root nodule symbiosis.NBCL genes are also involved in the regulatory networks thatcontrol the development and the determinacy of many abovegroundvegetative and reproductive organs and were also shown as involvedin their abscission ability.In this thesis we also explored the roles of these highly conservedNBCL genes in the development of the non-domesticated grass,Brachypodium distachyon.



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