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Daubech, Benoit. Évolution expérimentale d'un symbiote de légumineuse : étude des facteurs génétiques et des forces de sélection qui favorisent ou non l'évolution du mutualisme

Daubech, Benoit (2019). Évolution expérimentale d'un symbiote de légumineuse : étude des facteurs génétiques et des forces de sélection qui favorisent ou non l'évolution du mutualisme.

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Résumé en francais

La symbiose qui s'établit entre les légumineuses et les bactéries appelées rhizobia est un processus complexe qui aboutit à la formation d'un nouvel organe végétal, le nodule, dans lequel les bactéries internalisées (bactéroïdes) fixent l'azote atmosphérique au profit de leur hôte. Les rhizobia ne constituent pas un groupe taxonomique homogène. Ils appartiennent à une quinzaine de genres dispersés au sein des α- and ß-protéobactéries. Les rhizobia auraient évolué à partir du transfert horizontal de gènes essentiels à la symbiose, suivi d'une réorganisation du génome d'accueil sous pression de sélection de la plante permettant une activation et/ou optimisation du potentiel symbiotique acquis. Ce scénario évolutif a été reproduit en laboratoire par une approche d'évolution expérimentale. Le plasmide symbiotique du symbiote de Mimosa pudica, Cupriavidus taiwanensis LMG19424, a été introduit dans la bactérie pathogène de plante Ralstonia solanacearum GMI1000. A partir de cette bactérie chimère 18 lignées parallèles ont été évoluées par des cycles successifs d'inoculation à M. pudica et ré-isolation des bactéries des nodules. Après 16 cycles d'évolution, trois observations ont été faites : i) les bactéries évoluées ne fixent pas l'azote et l'évolution vers le mutualisme n'est donc pas achevée à ce stade, ii) un gène de fonction inconnue semble important pour l'infection intracellulaire, et iii) les mutations permettant l'acquisition et/ou l'amélioration de l'infection des cellules du nodule semblent également améliorer la nodulation. Afin d'identifier les conditions favorables à l'émergence du mutualisme dans l'expérience d'évolution et potentiellement dans la nature, nous avons analysé la dynamique spatio-temporelle de deux sous-populations quasi isogéniques de C. taiwanensis, l'une fixatrice d'azote (Fix+) et l'autre non fixatrice (Fix-), au cours du processus symbiotique avec M. pudica. Nous avons observé une dégénérescence précoce et sélective des Fix-, y compris lorsqu'ils partagent un même nodule avec des Fix+, et établit la cinétique d'expansion des Fix+ au cours du temps. A partir d'un modèle mathématique et de validations expérimentales, nous avons prédit que de rares Fix+ envahiraient une population majoritairement Fix- au cours de cycles successifs de nodulation avec une probabilité fonction de la taille initiale de l'inoculum, du nombre de plantes inoculées et de la longueur des cycles. Par la suite nous avons étudié le rôle d'un gène du plasmide symbiotique de C. taiwanensis, dont la délétion dans l'une des lignées était responsable d'un défaut d'infection intracellulaire. Nous avons montré que ce gène, appelé noeM, est un gène de nodulation impliqué dans la biosynthèse de facteurs Nod atypiques où le sucre réducteur est ouvert et oxydé. noeM est principalement détecté dans des isolats de plantes appartenant à la tribu des Mimoseae, et particulièrement chez les souches capables de noduler M. pudica. Les gènes noeM forment un clade phylogénétique à part et spécifique des rhizobia. Un mutant ΔnoeM de C. taiwanensis s'est avéré affecté pour la nodulation de M. pudica, confirmant son rôle dans la symbiose avec cette légumineuse. Enfin, l'analyse cytologique détaillée de l'infection racinaire de M. pudica par C. taiwanensis et quelques souches de R. solanacearum portant une mutation adaptative de l'infection intracellulaire a été initiée, afin d'analyser l'impact de ces mutations sur les étapes symbiotiques précoces.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Masson-Boivin, Catherine
Marchetti, Marta
Ecole doctorale:Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (SEVAB)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes (LIPM), UMR 2594
Mots-clés libres :Symbiose - Évolution - Fixation d'azote - R. solanacearum - C. taiwanensis - M. pudica - Infection - Sanctions - Facteurs Nod
Sujets :Sciences du vivant
Déposé le :20 Jan 2022 10:11