Les hormones dans la symbiose mycorhizienne : étude de la production et des effets d'hormones végétales par les champignons endomycorhiziens

Phytohormones in the mycorrhizal symbiosis : study of the production and the effcts of phytohormones by endomycorrhizal fungi

• Auteur / Autrice : Simon Pons
• Direction : Virginie Puech, Nicolas Frei Dit Frey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions plantes-microorganismes
• Date : Soutenance le 13/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (Toulouse ; 2010-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Hormones

Mycorhizes

Symbiose

Mots clés libres

Symbiose

Champignon mycorhizien à arbuscules

Rhizophagus irregularis

Hormones végétales

Spectrométrie de masse

Auxine

Cytokinine

Ethylène

Gibbérelline

Symbiosis

Arbuscular mycorrhizal fungi

Rhizophagus irregularis

Mass spectrometry

Auxine

Cytokinine

Gibberelin

Résumé

La symbiose mycorhizienne à arbuscules est une association mutualiste qui s'établit entre les racines de la majorité des plantes terrestres et les champignons souterrains du sous-phylum des Gloméromycetes. Cette interaction est bénéfique pour les deux partenaires : le champignon fournit à la plante des minéraux (principalement phosphore et azote) et il obtient en retour des molécules carbonées (sous forme de lipides et d'oses), indispensables à sa survie. Cette interaction est initiée par un dialogue moléculaire, impliquant d'une part des molécules chitiniques d'origine fongique et d'autre part des hormones secrétées par la plante, les strigolactones. Une fois la symbiose établie, elle est contrôlée par des hormones végétales, qui favorisent ou inhibent son maintien. De manière intéressante, malgré que de nombreuses espèces bactériennes et fongiques du sol aient été décrites comme capables de produire des hormones végétales, pour moduler leurs interactions avec les plantes, peu d'études décrivent la capacité des champignons mycorhiziens à arbuscules à biosynthétiser de telles molécules. Pourtant, des gènes codants pour des récepteurs putatifs à deux phytohormones - Cytokinines et Ethylène - ont été identifiés chez certains champignons endomycorhiziens. Le premier objectif de ce travail a été d'identifier des hormones végétales chez le champignon endomycorhizien modèle Rhizophagus irregularis. Ce champignon étant biotrophe obligatoire, incapable de se développer en absence de partenaire végétal, nous avons utilisé des spores en germination axénique afin d'éviter toute contamination issue de la plante. A l'aide de méthodes d'analyses biochimiques, sensibles et précises, nous avons mis en évidence la présence de quatre hormones végétales dans les extraits fongiques : une auxine (acide indole-3-acétique), une cytokinine (isopentenyl-adénosine), un acide gibbérellique (GA_4) et l'éthylène. Nos expériences suggèrent, de plus, que comme chez la plupart des champignons, R. irregularis utilise une voie KMBA-dépendante pour biosynthétiser l'ethylène. Le deuxième objectif a été de déterminer l'origine de biosynthèse de ces hormones. Elles peuvent soit être métabolisées par le champignon, soit être importées durant les échanges symbiotiques avec la plante. Pour démontrer une éventuelle biosynthèse fongique, nous avons initié des expériences d'incorporation et de suivi de marquages isotopiques, en faisant germer des spores en présence de sources de carbones marqués. Un troisième objectif a visé à initier des travaux sur les effets des cytokinines et de l'éthylène sur R. irregularis, puisqu'il possède des récepteurs putatifs à ces deux phytohormones. La preuve biochimique de la présence d'hormones chez R. irregularis constitue une découverte importante pour la communauté. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives quant à leurs rôles et leurs régulations lors de la symbiose. Celles-ci pourraient avoir un impact direct sur la physiologie des champignons endomycorhiziens, contribuer au dialogue moléculaire plante-champignon ou inter-plantes, via le réseau mycélien, mais également influencer les communautés microbiennes du sol. Ces résultats encourageront à davantage étudier les plantes dans leur microbiome naturel et permettront de mieux comprendre comment un langage hormonal commun, qui s'est développé au cours de l'évolution, a contribué à l'interaction entre les plantes et les champignons mycorhiziens depuis qu'elles ont colonisé le milieu terrestre.

Arbuscular mycorrhizal symbiosis is a mutualistic association established between the roots of most of land plants and soil fungi of the Glomeromycete subphylum. This interaction is beneficial for both partners: the fungus provides the plant with minerals (mainly phosphorus and nitrogen) and in return obtains carbon molecules (in the form of lipids and oses), which are essential for its survival. This interaction is initiated by a molecular dialogue, involving chitinic molecules from fungal origin and phytohormones secreted by the plant, the strigolactones. Once the symbiosis is established, it is controlled by plant hormones, which promote or inhibit its maintenance. Interestingly, although many soil bacterial and fungal species have been able to produce plant hormones to modulate their interactions with plants, few studies describe the ability of arbuscular mycorrhizal fungi to biosynthesize such molecules. Furthermore, genes encoding two putative phytohormone receptors - Cytokinins and Ethylene - have however been identified in certain endomycorrhizal fungi. The first objective of this work was to identify plant hormones in the model endomycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis. As this fungus is an obligate biotroph, unable to develop in the absence of a plant partner, we used Rhizophagus irregularis germinating spores in axenic conditions in order to avoid any contamination from the plant. Using sensitive and precise biochemical analysis methods, we have demonstrated the presence of four phytohormones in fungal extracts: an auxin (indole-3-acetic acid), a cytokinin (isopentenyl-adenosine), a gibberellic acid (GA4) and ethylene. Our experiments further suggest that, like in most fungi, R. irregularis uses a KMBA-dependent pathway to biosynthesize ethylene. The second objective was to determine the origin of biosynthesis of these hormones. They can either be metabolized by the fungus, or can be imported during symbiotic exchanges with the plant. To demonstrate a possible fungal biosynthesis, we initiated isotopic labelling experiments, by germinating spores in the presence of labelled carbon sources. A third objective was to initiate work on the effects of cytokinins and ethylene on R. irregularis, since it has putative receptors for these two phytohormones. Biochemical evidence for the presence of hormones in R. irregularis is an important discovery for the community. This discovery opens up new perspectives to understand their roles and regulations during the symbiosis. These could have a direct impact on the physiology of endomycorrhizal fungi, contribute to the plant-fungus or inter-plant molecular dialogue, via the mycelial network, but also influence the microbial communities in the soil. These results will further encourage the study of plants in their natural microbiome and will provide a better understanding of how this common hormonal language, has contributed to this symbiosis through the evolution, that started when plants colonized the land and interacted with soil fungi.