Understanding the signaling pathway controlling the intracellular recognition steps of Medicago/Sinorhizobium symbiosis
Etude de la signalisation contrôlant l’accommodation intracellulaire au cours de la symbiose Medicago/Sinorhizobium
Abstract
When grown under limited nitrogen resources, legumes establish a symbiotic relationship with soil bacteria called rhizobia. This interaction leads to the formation of a new root organ, the nodules. Within nodules, rhizobia differentiate into bacteroids and fix atmospheric nitrogen for the plant. The massive and chronic colonization of nodule symbiotic cells by the rhizobia does not trigger any visible defense reactions. In the laboratory, we previously isolated two symbiotic mutants developing defense reactions in Medicago truncatula nodules, indicating a strict control of the nodule immunity. The thesis project aimed first to understand the relationship between symbiotic genes and immunity mediated by defense hormones and second to find new tools to help to better understand nodules defense mechanisms. For this, molecular, pharmacological and genetic approaches were used. The results obtained in this thesis suggest that the defense mechanisms adopted by M. truncatula vary depending on the plant ecotypes. The A17 ecotype uses two resistance pathways; senescence and defense reactions. While, the R108 ecotype uses defense reactions pathway to fight against rhizobia. This work also suggests that in M. truncatula A17, the SymCRK protein represses jasmonic acid signalling. This work also suggests that in M. truncatula A17, the SymCRK protein represses the jasmonic acid signaling pathway involved in senescence triggering. In contrast, the DNF2 protein mainly represses the salicylic acid signaling pathway involved in defense reactions and also represses the JA pathway. In M. truncatula R108, the two proteins SymCRK and DNF2 control salicylic acid and ethylene signaling pathways involved in triggering defense reactions. DNF2 controls the salicylic acid pathway more than the ethylene signaling pathway, while, SymCRK controls more the ethylene pathway than the salicylic acid signaling pathway in nodules. This thesis also suggests the involvement of R proteins in the control of intracellular accommodation of rhizobia. The intracellular receptor CNL-5 appears to be involved in controlling the infection of symbiotic cells and the receptors CNL-4 and TNL-2 genes appear to be involved in controlling the infection efficacy of the symbiotic cells. Finally, this thesis allowed the identification of a new bacterial strain E. adhaerens, capable of behaving as a symbiont or as a pathogen for several Medicago species. This can be used as a tool to study the nodules defense induction and to understand the rhizobia intracellular accommodation in symbiotic cells.
Les légumineuses en milieu carencé en azote, établissent une relation symbiotique avec les bactéries du sol appelées rhizobia. Cette interaction conduit à la formation d’un nouvel organe racinaire, la nodosité. Au sein de celle-ci, les rhizobia se différencient en bactéroïdes fixant l’azote atmosphérique au profit de la plante. La colonisation massive et chronique des cellules symbiotiques de nodosités par les rhizobia ne déclenche aucune réaction de défense visible. Au laboratoire nous avons isolé deux mutants symbiotiques développant des réactions de défense dans les nodosités de Medicago truncatula indiquant qu’il existe un contrôle strict de l’immunité dans cet organe. L’objectif de cette thèse est de comprendre comment l’immunité symbiotique contrôle les voies de signalisation hormonales de défense afin d’héberger le partenaire symbiotique et de trouver de nouveaux outils pour mieux comprendre les mécanismes de défense. Pour cela, des approches moléculaires, pharmacologiques et génétiques sont utilisées. Les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que les mécanismes de défense adoptés par M. truncatula varient en fonction de l’écotype de la plante. L’écotype A17 exploite deux voies de résistance : la voie de la sénescence et la voie des réactions de défense. Cependant, l’écotype R108 n’exploite que la voie des réactions de défense. Ce travail suggère également que chez M. truncatula A17, la protéine SymCRK réprime la voie de signalisation de l’acide jasmonique qui conduit au déclenchement de la sénescence, tandis que la protéine DNF2 réprime principalement la voie de signalisation de l’acide salicylique qui conduit au déclenchement des réactions de défense et aussi réprime secondairement la voie acide jasmonique. Chez M. truncatula R108, les deux protéines SymCRK et DNF2 contrôlent les voies de signalisation de l’acide salicylique et de l’éthylène, avec DNF2 contrôlant préférentiellement la voie acide salicylique et SymCRK contrôlant préférentiellement la voie éthylène. Cette thèse suggère aussi l’implication des protéines R dans le contrôle de l’accommodation intracellulaire des rhizobia. Un gène CNL-5 semble être impliqué dans le contrôle de l’infection des cellules symbiotiques, et deux autres gènes CNL-4 et TNL-2 semblent être impliqués dans le contrôle de l’efficacité de l’infection. Finalement, cette thèse a permis d’isoler une souche bactérienne E. adhaerens, capable se comporter comme un symbiote ou comme un pathogène pour plusieurs espèces de Medicago.
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