Régulation de la nodulation symbiotique fixatrice d’azote par des peptides de signalisation chez Medicago truncatula
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
As sessile organisms, plants benefit of a high developmental plasticity through the maintenance of active meristems during their whole life cycle to adapt to environmental constraints. Shoots and roots are subjected to independent environmental stimuli that must be integrated at the whole plant level to coordinate growth and development of these different organs, implying the existence of endogenous systemic (long-distance) signals. Legume plants besides forming lateral roots, are also able to form new root organs, the nitrogen-fixing nodules, thanks to a symbiotic interaction with bacteria called rhizobia when mineral nitrogen availability is limited in the soil. However, formation and maintenance of nodules is energetically costly and must be tightly controlled by the host plant through hormonal signalling pathways in order to inhibit or to promote nodulation depending on its needs. Peptide hormones from the CLE (Clavata3 (CLV3)/Embryo Surrounding Region) and CEP (C-terminally Encoded Peptide) families, produced in roots, were notably identified as regulating systemically nodulation, respectively negatively and positively, depending on the SUNN (Super Numeric Nodules) and CRA2 (Compact Root Architecture 2) receptors in shoots, respectively. The problematic of this Ph.D. thesis was therefore to investigate how signalling peptides regulate nodulation locally and systemically. To this end, two objectives were defined: 1) to identify molecular mechanisms linked to the CLE/SUNN and CEP/CRA2 systemic pathways; 2) to characterize new CLE peptides regulating nodulation. First, I participated in demonstrating that the CLE/SUNN and CEP/CRA2 systemic pathways act independently to regulate antagonistically nodulation. Then, molecular effectors acting in roots downstream of the CLE/SUNN pathway were identified, revealing a link with NFs (Nod Factors) receptors and with F-box proteins called TML1 (Too Much Love 1) and TML2, and both TML proteins were shown to regulate negatively nodulation. Finally, a shared downstream actor of the CLE/SUNN and CEP/CRA2 pathway was identified: the miR2111. This microRNA, produced in shoots, is regulated antagonistically by the two systemic pathways, and cleaves TML transcripts in roots, therefore controlling nodule number depending on nitrogen and rhizobial cues. The second Ph.D. thesis objective allowed highlighting a CLE peptide which expression is induced in the root epidermis by symbiotic conditions: CLE37. This gene encodes a TDIF (Tracheary Element Differentiation Inhibitory Factor) peptide, and RNA silencing as well as mutagenesis approaches revealed that it is required to modulate root development in response to rhizobia, inhibiting primary root growth and enhancing stele root diameter. The recruitment of the CLE37 signalling peptide could thus allow accommodating root development to support symbiotic nitrogen fixation needs.
Abstract FR:
Les plantes bénéficient d’une plasticité développementale assurée par des zones méristématiques actives tout au long de leur cycle de vie afin de s’adapter aux contraintes environnementales. Les parties aériennes et les racines sont chacune soumises à des stimuli environnementaux indépendants qui doivent être intégrés au niveau de la plante entière afin d’assurer une coordination du développement de ces différents organes, impliquant des échanges de signaux à longue distance, dits systémiques. Chez les légumineuses, le système racinaire est non seulement capable de se ramifier en racines latérales, mais est aussi capable de former de nouveaux organes, les nodules fixateurs d’azote atmosphérique, grâce à une symbiose avec des bactéries, appelées rhizobia, lorsque le sol est pauvre en azote minéral. La formation et le maintien de ces nodules sont cependant couteux en énergie et doivent donc être strictement régulés par la plante via des signalisations hormonales afin d’inhiber ou de favoriser la nodulation selon ses besoins. Des hormones peptidiques de la famille CLE (« Clavata3 (CLV3)/Embryo Surrounding Region ») et CEP (« C-terminally Encoded Peptide »), produites dans les racines, ont notamment été identifiées comme jouant respectivement un rôle systémique négatif ou positif sur la nodulation, de manière dépendante des récepteurs SUNN (« Super Numeric Nodules ») et CRA2 (« Compact Root Architecture 2 ») dans les parties aériennes, respectivement. La problématique de cette thèse était donc de comprendre comment des peptides de signalisation régulent à la fois localement et systémiquement la nodulation. A cette fin, deux objectifs ont été définis : 1) identifier des mécanismes moléculaires associés aux voies de signalisation systémiques CLE/SUNN et CEP/CRA2 régulant la nodulation ; 2) caractériser de nouveaux peptides CLE régulant la nodulation. Dans un premier temps, j’ai participé à démontrer que les voies systémiques CLE/SUNN et CEP/CRA2 agissent indépendamment pour réguler de manière antagoniste la nodulation. Dans un second temps, des acteurs racinaires en aval de la voie CLE/SUNN ont été identifiés, révélant un lien avec les récepteurs des molécules signales des rhizobia, les NFs (« Nod Factors »), ainsi qu’avec des protéines à « F-box » nommées TML1 (« Too Much Love 1 ») et TML2, et un rôle négatif de ces protéines TML sur la nodulation a pu être caractérisé. Enfin, un acteur commun agissant en aval des voies CLE/SUNN et CEP/CRA2 a été identifié : le miR2111. Ce microARN produit dans les parties aériennes est régulé de manière opposée par les deux voies systémiques, et clive les transcrits des gènes TMLs dans les racines, contrôlant ainsi le nombre de nodules formés en fonction de la disponibilité en azote et de la préexistence de nodules. Le deuxième objectif de thèse a permis de révéler l’existence d’un peptide CLE dont l’expression est induite dans l’épiderme racinaire en conditions symbiotiques, CLE37. Ce gène code pour un peptide TDIF (« Tracheary Element Differentiation Inhibitory Factor »), et des approches par ARN interférence et de mutagénèse ont révélé que ce gène est requis pour moduler la croissance racinaire en réponse aux rhizobia, inhibant la croissance des racines principales et augmentant le diamètre racinaire. Ainsi, le recrutement de ce peptide de signalisation pourrait permettre d’accommoder le développement racinaire pour soutenir les besoins de la symbiose fixatrice d’azote.