Rôle du cycle cellulaire bactérien dans la fixation d'azote lors de la symbiose Rhizobium-Légumineuses.

par Quentin Nicoud

Projet de thèse en Biologie

Sous la direction de Benoît Alunni.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC) (laboratoire) , Interaction Plantes-Bactéries (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Le contrôle du cycle cellulaire chez la bactérie symbiotique Sinorhizobium meliloti, bien que crucial au cours de la symbiose fixatrice d'azote avec des plantes Légumineuses du genre Medicago est encore mal connu. Les plantes légumineuses peuvent établir une relation symbiotique avec des bactéries fixatrices d'azote appelées rhizobia, formant des organes appelés nodosités. Au sein des nodosités, les bactéries sont hébergées et réduisent l'azote en ammonium qui est transféré à la plante. Les bactéries endosymbiotiques, appelées bactéroïdes, adaptent leur métabolisme à la vie intracellulaire et à la fixation symbiotique d'azote. Chez certaines légumineuses, les bactéroïdes subissent une différenciation cellulaire terminale (irréversible) impliquant un fort allongement cellulaire, avec une enveloppe cellulaire fragilisée et une polyploïdie du génome. Ce processus est restreint à certains clades de légumineuses et augmenterait l'efficacité symbiotique et le bénéfice pour la plante. L'augmentation du contenu en ADN des bactéroides implique, lors de leur formation, la modification du cycle cellulaire. Celui-ci, étant habituellement une alternance de phases de réplication du génome et de division cellulaire va être modulé vers une répétition des phases de réplication sans division cellulaire entre celles-ci. Les cellules symbiotiques de M. truncatula produisent des centaines de peptides antimicrobiens appelés NCR (pour Nodule specific Cysteine Rich), qui induisent la différenciation terminale des bactéroïdes chez S. meliloti. De manière frappante, l'application du peptide NCR247 sur des bactéries en vie libre permet de reproduire ce processus de différenciation, suggérant que ce peptide cible la machinerie du cycle cellulaire bactérien. De plus, les cellules traitées par NCR247 présentent une forte répression de l'expression des gènes régulés par CtrA, le régulateur maitre du cycle cellulaire. Il a été montré que CtrA contrôle le cycle cellulaire de S. meliloti comme chez Caulobacter crescentus, le système modèle pour l'étude du cycle cellulaire chez les alphaprotéobactéries. Chez C. crescentus et S. meliloti, CtrA réprime la réplication du génome et promeut la division cellulaire, et ce facteur chute à des niveaux très bas dans les bactéroïdes. Le contrôle de CtrA chez C. cressentus et S. meliloti commence à être élucidé néanmoins, le lien mécanistique entre les peptides NCR et la régulation du cycle cellulaire bactérien reste nébuleux et sera clarifié au cours de ce projet. Une approche multi-échelles sera menée pour analyser systématiquement le rôle des facteurs du cycle cellulaire au cours de l'infection symbiotique. Nous utiliserons une combinaison de méthodologies issues de la génétique bactérienne et de la biologie cellulaire pour analyser des bactéries en cultures traitées ou non par des NCR ainsi que des bactéroïdes dans les nodosités. De plus, la modulation du niveau de CtrA in planta pourrait mener à une augmentation de la différenciation des bactéroïdes chez Medicago voire à une élongation cellulaire dans des plantes ne produisant pas de NCR. Cela pourrait mener à une augmentation de l'efficacité de la fixation d'azote par ces bactéroïdes.

  • Titre traduit

    Roles of the bacterial cell cycle in the nitrogen fixation during rhizobia-legume symbiosis.


  • Résumé

    The control of the cell cycle in the symbiotic bacterium Sinorhizobium meliloti, although crucial during the nitrogen-fixing symbiosis with legume plants of the genus Medicago, is still poorly understood. Legume plants can establish a symbiotic relationship with nitrogen-fixing bacteria called rhizobia, forming organs called nodules. Within the nodules, bacteria are hosted and reduce the nitrogen to ammonium that is transferred to the plant. Endosymbiotic bacteria, called bacteroids, adapt their metabolism to intracellular life and symbiotic nitrogen fixation. In some legumes, bacteroids undergo terminal (irreversible) cell differentiation involving a high cellular elongation, with a fragile cell envelope and polyploidisation of the genome. This process is restricted to certain clades of legumes and increases the symbiotic efficiency and benefits for the plant. The increase in DNA content of bacteroids implies, during their formation, the modification of the cell cycle. The latter, being usually an alternation of genome replication and cell division phases, will be modulated towards a repetition of the replication phase without cell division between them. The symbiotic cells of M. truncatula produce hundreds of antimicrobial peptides called NCR (Nodule specific Cysteine Rich), which induce the terminal differentiation of bacteroids in S. meliloti. Strikingly, the application of the NCR247 peptide to bacteria in free living makes it possible to reproduce this process of differentiation, suggesting that this peptide targets the machinery of the bacterial cell cycle. In addition, cells treated with NCR247 show a strong suppression of the expression of the genes regulated by CtrA, the master regulator of the cell cycle. CtrA has been shown to control the cell cycle of S. meliloti as in Caulobacter crescentus, the model system for the study of the cell cycle in alpha-proteobacteria. In C. crescentus and S. meliloti, CtrA suppresses genome replication and promotes cell division, and this factor drops to very low levels in bacteroids. The control of CtrA in C. cressentus and S. meliloti begins to be elucidated nevertheless, the mechanistic link between the NCR peptides and the regulation of the bacterial cell cycle remains nebulous and will be clarified during this project. A multi-scale approach will be used to systematically analyze the role of cell cycle factors during symbiotic infection. We will use a combination of methodologies derived from bacterial genetics and cell biology to analyze bacteria in cultures treated or not treated with NCR as well as bacteroids in the nodules. In addition, modulation of the level of CtrA in planta could lead to increased differentiation of bacteroids in Medicago or even to cellular elongation in plants that do not produce NCR. This could lead to an increase in the efficiency of nitrogen fixation by these bacteroids.