Interactions pathogènes et symbiotiques chez la légumineuse modèle Medicago truncatula : comparaison de la perception et des réponses de la plante aux deux types d'interactions

Comparisons of plant perception and responses in pathogenic and symbiotic interactions with the model legume Medicago truncatula

• Auteur / Autrice : Olivier André
• Direction : Christophe Jacquet, Jean Dénarié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions plantes-microorganismes
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Symbiose

Sols -- Microbiologie

Medicago

Mots clés libres

Medicago trunctula

Résistance quantitative

Lipochitooligosaccharides

Endomycorhize à arbuscules

Génétique d'association

Racines latérales

Symbioses

Aphanomyces euteiches

Résumé

Les racines jouent un rôle primordial dans la vie de la plante, tant pour le prélèvement de l'eau et des sels minéraux nécessaires à son développement, que pour l'adaptation à son environnement biotique. Ce dernier est notamment constitué par une grande diversité de microorganismes dont certains peuvent être bénéfiques, via l'établissement de relations symbiotiques, alors que d'autres sont néfastes et cherchent à se développer en parasite, aux dépens de la plante. Pour s'adapter et survivre, les plantes doivent donc être capables de reconnaître les microorganismes du sol afin de déclencher des réponses appropriées menant à l'acceptation ou au rejet du microorganisme rencontré. La mise en place de ces réponses passe par un dialogue moléculaire entre le microorganisme et la plante dans les phases précoces de l'interaction, au sein de la rhizosphère. Dans ce cadre d'étude, l'exploitation des ressources génétiques (mutants ou accessions naturelles) de la légumineuse modèle Medicago truncatula, capable d'héberger des interactions symbiotiques et pathogènes, a permis : - de mieux comprendre comment s'effectue la perception d'un microorganisme par l'identification de nouveaux signaux symbiotiques produits par les champignons mycorhiziens à arbuscules. - d'identifier des acteurs moléculaires impliqués dans la réponse de la plante, soit après inoculation d'un agent pathogène racinaire (étude de la résistance quantitative à Aphanomyces euteiches), soit après la perception de signaux symbiotiques (identification de gènes associés à l'induction de racines latérales en réponse aux facteurs Nod (NFs)). Ainsi, il a d'abord été montré que Rhizophagus irregularis secrète des signaux symbiotiques qui sont un mélange de lipochitooligosaccharides (LCOs) simples sulfatés et non- sulfatés. Ces composés, impliqués dans l'établissement de la symbiose mycorhizienne avec des plantes de différentes familles (Fabaceae, Asteraceae et Umbelliferae), stimulent la croissance racinaire et la formation de racines latérales chez la légumineuse Medicago truncatula, via la voie de signalisation symbiotique commune. Une étude de génétique d'association (GWAS) exploitant la variabilité naturelle de M. Truncatula a ensuite permis d'identifier le déterminisme polygénique de la résistance quantitative à A. Euteiches, oomycète responsable de la pourriture racinaire du pois. Un gène codant une protéine à domaine F-box est le principal acteur impliqué dans ce phénotype et semble agir comme un régulateur négatif de l'immunité. Enfin, une autre analyse GWAS nous a également permis de mettre en évidence une forte variabilité de réponse aux NFs chez M. Truncatula, allant de l'induction à la répression du développement de racines latérales. Quatre loci majeurs ont été identifiés et font apparaître des gènes associés à des voies hormonales ou des régulateurs transcriptionnels. L'ensemble des résultats obtenus permet de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui interviennent dans les interactions plante-microorganismes, tout en soulignant l'existence d'interconnexions possibles entre symbiose et immunité. Ces travaux ouvrent aussi la voie au développement de stratégies d'amélioration génétique des légumineuses cultivées mais aussi à l'utilisation de molécules dérivées de LCOs favorisant le développement racinaire.

Roots play an important role in plant life for water and nutriment uptake and for biotic environment adaptation in the soil. Interestingly, rhizosphere represents one of the richest microbial ecosystems on Earth, containing microbes that can either be beneficial for plants through the establishment of symbiotic interactions or damaging through a parasitic interaction. In order to adapt and survive in this biotic environment plants are able to recognize these microorganisms and trigger adapted responses to accept or reject the encountered microorganisms. These responses required a molecular dialog between microorganisms and plant during the early step of interaction, in the rhizosphere. In this work, the use of genetic resources (natural accessions or mutants) available for the model legume Medicago truncatula, which is able to interact with both symbionts and pathogens led to : * Gain insight into microorganism perception by the plant, thanks to the identification of new symbiotic signal produced by arbuscular mycorrhizal fungi. * Identify genetic and molecular components either involved in plant responses after a root pathogen inoculation (analysis of quantitative resistance to Aphanomyces euteiches), or after the perception of a symbiotic signal (assessment of nod factor effects on lateral root formation). The first part of my work led to the identification of symbiotic signals produced by Rhizophagus irregularis that are simple, sulfated and non-sulfated lipochitooligosaccharides (LCOs). These compounds were found to be involved in the establishment of mycorrhizal symbiosis with different plant families (Fabaceae, Asteraceae and Umbelliferae), and are able to stimulate both Medicago truncatula root growth and lateral roots formation, through the common symbiotic signalling pathway (CSSP). The second part of my work analyzed M. Truncatula resistance to A. Euteiches by a genome wide association study (GWAS) to identify molecular determinants of quantitative resistance This study identified notably a gene encoding for an F-box domain protein as a major component which acts as a negative regulator of plant immunity. In the last part of this thesis, another GWAS detected a high level of variability in the M. Truncatula root response to nod factors (NF) and identified four major loci containing genes associated to hormonal pathways or transcriptional regulators that are involved in lateral root formation following a NF treatment. . Results of this work led to a better understanding of basic mechanisms involved in plant-microbe interactions and highlighted the existence of cross talk between symbiosis and immunity. This work opens also new applied perspectives for genetic improvement of cultivated legumes along with a larger use of LCOs to stimulate crop root development.