Rôle de FcrX dans la régulation du cycle cellulaire de Sinorhizobium meliloti au cours de la symbiose avec des plantes légumineuses

par Sara Dendene

Projet de thèse en Microbiologie

Sous la direction de Benoît Alunni.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème , en partenariat avec Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (laboratoire) , Interaction Plantes-Bactéries (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    La symbiose fixatrice d'azote entre les légumineuses et les bactéries du sol rhizobium fournit un apport majeur d'azote fixé dans la biosphère et représente un grand espoir pour la réduction des apports d'engrais dans les champs, améliorant ainsi la durabilité agricole. Cependant, la capacité de fixation de l'azote par le partenaire bactérien est un aspect critique de l'interaction qui limite directement l'efficacité de la symbiose et le rendement de la plante hôte. Dans de nombreux cas, la population endogène de rhizobia résidant dans un champ comprend des tricheurs et des bactéries qui ont un faible potentiel de fixation de l'azote. Dans l'interaction du modèle, qui se déroule entre la plante Medicago sativa (luzerne) et son partenaire bactérien Sinorhizobium meliloti, l'internalisation des rhizobia dans les cellules végétales d'un organe dédié appelé nodule conduit à une étape de différenciation essentielle des bactéries présentant les caractéristiques suivantes: 1) polyploïdisation (plusieurs copies du génome par cellule), 2) allongement des cellules (jusqu'à 10 fois leur taille initiale), 3) perméabilisation de la membrane (caractérisée par une accumulation d'iodure de propidium dans les bactéroïdes par rapport aux bactéries vivant en liberté) et 4) une perte de leur capacité à reprendre la croissance (environ 0,1% des bactéries extraites des nodules peuvent former des colonies sur boîtes). L'étendue de ce processus appelé différenciation terminale des bactéroïdes (TBD) est corrélée à une augmentation de l'efficacité symbiotique dans les plantes où la TBD a lieu par rapport aux plantes où les bactéries restent indifférenciées. Le processus est caractérisé par une sortie du cycle cellulaire bactérien et un basculement vers l'endoréplication. Chez le partenaire végétal, la différenciation des bactéroïdes dépend d'une grande famille de gènes nodules spécifiques riches en cystéine (NCR, plus de 600 membres dans un génome végétal unique) chez Medicago et les plantes apparentées. Ces peptides sont adressés aux bactéroïdes et déclenchent la TBD. Les régulateurs de différenciation des cellules bactériennes sont affectés au cours de ce processus. Le nœud central de ce réseau de différenciation cellulaire est CtrA, le maître régulateur du cycle cellulaire bactérien. Chez les bactéries vivant en liberté, la CtrA s'accumule après la phase S pour favoriser la division cellulaire et réprimer la réplication supplémentaire du génome, et persiste en phase G2. À l'opposé, le niveau de CtrA est abaissé chez les bactéroïdes, conformément à plusieurs cycles de réplication du génome se déroulant sans divisions cellulaires intermédiaires. Afin d'être modulée dynamiquement, CtrA est contrôlé à différents niveaux (transcriptionnel et post-traductionnel, notamment par phosphorylation et dégradation) par un grand nombre de régulateurs. Récemment, les équipes d'Emanuele Biondi et de Benoit Alunni ont découvert un nouveau facteur essentiel, FcrX (FtsZ Cell cycle Regulator X), dont la fonction principale est de contrôler à la fois le maître régulateur du cycle cellulaire CtrA et le processus de division cellulaire en se liant et en co-localisant avec le divisome. Ce facteur est le premier jamais découvert qui relie le réseau de régulation du cycle cellulaire et le divisome ouvrant de nouvelles voies dans la compréhension de la différenciation cellulaire. Le but de ce projet de thèse est de caractériser la fonction FcrX pendant la vie libre (régulation normale du cycle cellulaire) et la symbiose (sortie du cycle cellulaire et passage à l'endoréplication). L'effet de la dérégulation du cycle cellulaire sur l'efficacité symbiotique sera également analysé.

  • Titre traduit

    Role of FcrX in Sinorhizobium meliloti cell cycle regulation during symbiosis with legume plants


  • Résumé

    Nitrogen-fixing symbiosis between legume plants and rhizobium soil bacteria provides a major input of fixed nitrogen in the biosphere and represents a great hope for the reduction of fertilizer input in the fields, thereby improving agricultural sustainability. However, the nitrogen fixing capacity of the bacterial partner is a critical aspect of the interaction that directly constraints the output of the symbiosis and the yield of the host plant. In many cases, the endogenous population of rhizobia residing in a field comprises cheaters and bacteria that have a low potential for nitrogen fixation. In the model interaction, that is taking place between Medicago sativa (alfalfa) and its cognate partner Sinorhizobium meliloti, internalization of rhizobia within plant cells of a dedicated organ called nodule leads to an essential differentiation step of bacteria with the following characteristics: 1) polyploidization (multiple genome copies per cell), 2) cell enlargement (up to 10x their initial size), 3) membrane permeabilization (characterized by propidium iodide accumulation in bacteroids as compared to free-living bacteria) and 4) a loss of their capacity to resume growth (around 0,1% of nodule extracted bacteria can form colonies on plates). The extent of this process called terminal bacteroid differentiation (TBD) is correlated with an increase in symbiotic efficiency in plants where TBD takes place with respect to plants where bacteria remain undifferentiated. The TBD process is characterized by an exit of the bacterial cell cycle and a switch towards endoreduplication. On the plant side, differentiation of bacteroids depends on a large family (more than 600 members in a single plant genome) of nodule specific cysteine-rich (NCR) peptides in Medicago and related plants. These peptides are targeted to the bacteroids and trigger TBD. Bacterial cell differentiation regulators are affected during this process. The central node of this cell differentiation network is CtrA, the master regulator of the bacterial cell cycle. In free-living bacteria, CtrA accumulates after the S phase to promote cell division and repress additional genome replication, and persists in G2 phase. Oppositely, CtrA level is lowered in bacteroids, in accordance with several rounds of genome replication taking place without intervening cell divisions. In order to be dynamically modulated, CtrA is controlled at different levels (transcriptional and post-translational, notably through phosphorylation and degradation) by a large number of regulators. Recently, Biondi and Alunni labs discovered a new essential factor, FcrX (FtsZ Cell cycle Regulator X), whose role has a primary function controlling both the master regulator of cell cycle CtrA and the cell division process by binding and co-localizing with the divisome as explained here. This factor is the first one ever discovered that connects the core cell cycle regulatory program and the divisome opening new paths in the understanding of cell differentiation. The aim of this PhD project is to characterize FcrX function during free-living (normal cell cycle regulation) and symbiosis (exit of the cell cycle and switch to endoreduplication). The effect of cell cycle deregulation on symbiotic efficiency will also be analyzed.