Bases génétiques et forces sélectives impliquées dans l'évolution de nouveaux symbiotes de légumineuses

Genetic bases and selective forces involved in the evolution of new legume symbionts

• Auteur / Autrice : Ginaini Grazielli Doin de Moura
• Direction : Delphine Capela, Philippe Remigi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes, interactions biotiques et abiotiques
• Date : Soutenance le 09/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Capela, Philippe Remigi, Claire Prigent-Combaret, Sébastien Cunnac, Matthieu Arlat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Prigent-Combaret, Benoît Alunni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Symbiose

Fabacées

Rhizobium

Mots clés libres

Légumineuse

Évolution

Rhizobium

Adaptation

Fixation d'azote

Symbiose

Legume

Rhizobium

Evolution

Adaptation

Symbiosis

Nitrogen fixation

Résumé

Les rhizobia sont des bactéries phylogénétiquement diverses, capables d'interagir avec les légumineuses et de fixer de l'azote au profit de la plante hôte. Ces bactéries ont émergé via des transferts horizontaux répétés et indépendants de quelques gènes essentiels pour la symbiose, conférant leur capacité d'inciter la formation d'un nouvel organe chez la plante hôte, le nodule, et de fixer de l'azote. Cependant, ces transferts ne sont pas toujours suffisants pour rendre symbiotique une bactérie receveuse. Dans ces cas, des étapes additionnelles d'adaptation sous pression de sélection de la plante sont nécessaires pour l'activation ou optimisation du potentiel symbiotique acquis. Une expérience d'évolution visant à comprendre l'émergence de nouveaux symbiotes a été initiée au laboratoire pour essayer d'obtenir un nouveau genre de rhizobium. Le phytopathogène Ralstonia solancearum et le symbiote naturel de Mimosa pudica, Cupriavidus taiwanensis, ont été utilisés comme receveur and donneur des gènes symbiotiques, respectivement. Après l'inoculation massive des plantes de M. pudica, trois variants nodulants ont été obtenus et soumis à des cycles de nodulation sériés sur M. pudica. Ces cycles ont sélectionné rapidement des variants ayant des capacités symbiotiques améliorées. La dynamique d'adaptation à la symbiose des populations évoluées pendant 35 cycles et les changements moléculaires ont été analysés. L'adaptation rapide des bactéries à la symbiose a été supportée par la fixation séquentielle des cohortes mutationnelles (i.e. mutations ayant des trajectoires temporelles de fréquences similaires au cours de l'expérience) dans les populations évoluées. L'identification et la caractérisation des mutations adaptatives dans ces cohortes suggèrent que l'adaptation des bactéries dans ce système est dirigée de façon prédominante par la sélection des bactéries pour leur compétitivité à l'entrée dans l'hôte en comparaison de leur capacité à proliférer dans l'hôte. L'annotation des gènes affectés par les mutations adaptatives identifiées indiquent qu'ils sont peu ou pas-caractérisés. La caractérisation fonctionnelle de ces mutants a démontré que plusieurs mutations adaptatives pour la symbiose diminuent la pathogénicité de la souche ancestrale de Ralstonia et sont pléiotropiques, agissant sur la production d'EPS, la motilité, le métabolisme et la résistance au stress. Le mutualisme n'a pas été obtenu dans cette expérience d'évolution. Cependant, un gène, muté de façon convergente dans différentes lignées évoluées, a été associé à une prolifération améliorée des bactéries dans les nodules et la détection de faibles niveaux d'activité de l'enzyme nitrogénase.

Rhizobia form a polyphyletic group of symbiotic bacteria able to interact with legumes, fixing nitrogen to the benefit of the host plant. These bacteria emerged from repeated and independent events of acquisition of essential symbiotic genes, conferring their ability to nodulate and fix nitrogen. However, these transfers are not always sufficient to convert a recipient bacterium into an efficient legume symbiont. In these cases, additional adaptation steps occurring under plant-mediated selection pressure are necessary to activate and optimize the acquired symbiotic potential. In order to study the host-mediated selective forces driving the evolution of legume symbionts and to identify bacterial biological functions necessary or deleterious to symbiosis, the emergence of a new rhizobium genus has been replayed under laboratory conditions, using the plant pathogen Ralstonia solanacearum and the natural symbiont of Mimosa pudica, Cupriavidus taiwanensis, as receptor and donor of the symbiotic genes, respectively. After massive inoculation of M. pudica, three Ralstonia nodulating variants were trapped by the plants and were then subjected to serial cycles of nodulation. These cycles rapidly selected bacterial variants with improved symbiotic capacity. We analyzed the dynamics of molecular and phenotypic changes of populations evolved for 35 cycles. The fast adaptation was underpinned by the sequential fixation of mutational cohorts (i.e. mutations having similar frequency trajectories over time) within evolved populations. Identification and phenotypic characterization of beneficial mutations in these cohorts showed that adaptation was driven by the dominance of selection for host entry competitiveness over within-host proliferation. Based on gene annotations, beneficial mutations affect poorly or uncharacterized genes. Functional characterization of these mutants evidenced that the most adaptive mutations for symbiosis led to a decrease in the pathogenicity of the Ralstonia ancestral strain and are pleiotropic, affecting EPS production, motility, metabolism and stress resistance. Mutualism was not obtained in this experiment. However, one gene, convergently mutated in several independent evolved lineages, was found associated with a better proliferation of bacteria within nodules and the detection of low levels of nitrogenase activity.