Sinorhizobium meliloti est une bactérie du sol Gram- capable d'induire la formation denodosités fixatrices d'azote lors d'une interaction symbiotique avec les plantes de la familledes légumineuses. L'importance de la balance redox au cours de cette interaction a été miseen évidence. Ainsi, des mutants bactériens déficients dans la production du glutathion (GSH),présentent un phénotype altéré d'infection et de fixation de l'azote atmosphérique.Le premier objectif a donc été de déterminer si les phénotypes observés chez les mutants de lavoie de biosynthèse du GSH étaient liés à l'activité des glutarédoxines (GRX). Une analysebioinformatique a révélé la présence de trois gènes codant des GRX chez S. meliloti. Lesmutants, Smgrx1, Smgrx2 et Smgrx3, déficients pour chacune des GRX, ne produisent pasdes phénotypes similaires à ceux observés avec les mutants GSH. Si Smgrx2 présente unphénotype moins marqué, Smgrx1 est plus sévèrement affecté puisqu'il n'est plus capable dese différencier en bactéroïde. L'implication de SmGrx2 dans la régulation du métabolisme dufer et la mise en place des centres Fe-S a, par ailleurs, été mise en évidence.Le second objectif a été de définir s'il existait, chez S. meliloti, une redondance fonctionnelleentre les GRX et les thiorédoxines (TRX). Ainsi, le mutant SmtrxB, dépourvu de thiorédoxineréductase, présente la particularité d'induire la formation d'un plus grand nombre de nodulesque la souche sauvage. Le système TRX de S. meliloti apparaît donc comme un régulateurnégatif de la nodulation. D'autre part, les nodosités formées par ce mutant SmtrxB, ont uneactivité fixatrice d'azote significativement diminuée. Les rôles des TRX et des GRXapparaissent donc, au moins partiellement, distincts.Les résultats obtenus ici apportent des éléments nouveaux sur l'implication du GSH, des GRXet des TRX dans la mise en place d'une nodosité fonctionnelle, et ouvrent de nouvellesperspectives d'études sur les rôles de ces molécules dans le processus de fixation d'azote. / Sinorhizobium meliloti is a soil bacterium Gram- able to induce the formation of nitrogenfixingnodules during a symbiotic interaction with plants of the legume family. Theimportance of redox balance during this interaction has been demonstrated. In this way,bacterial mutants deficient in the production of glutathione (GSH), exhibit an alteredphenotype of infection and fixation of atmospheric nitrogen.The first objective was therefore to determine whether the phenotypes observed in mutants ofthe GSH biosynthesis pathway were related to the activity of glutaredoxins (GRX). Abioinformatic analysis revealed the presence of three genes encoding GRX in S. meliloti. Themutants, Smgrx1, Smgrx2 and Smgrx3, deficient for each of the GRX, do not producephenotypes similar to those observed with the GSH mutants. If Smgrx2 presents a less severephenotype, Smgrx1 is more severely affected since it is incapable of differentiating intobacteroïd. The involvement of SmGrx2 in the regulation of iron metabolism and theestablishment of Fe-S cluster has also been demonstrated.The second objective was to determine if there was, in S. meliloti, a functional redundancybetween GRX and thioredoxin (TRX). Thus, the SmtrxB mutant, devoid of thioredoxinreductase, has the distinctive feature of inducing the formation of more nodules than the wildtype strain. The TRX system of S. meliloti appears to be a negative regulator of nodulation.On the other hand, the nodules formed by this SmtrxB mutant have a significantly decreasednitrogen-fixing activity. Hence, the roles of TRX and GRX appear to be at least partiallydistinct.The results obtained here provide new evidence on the involvement of GSH, the GRX andTRX in the establishment of a functional nodule, and open new perspectives for studying onthe roles of these molecules in the process of nitrogen fixation.

La symbiose légumineuse-rhizobium a une importance majeure pour les écosystèmes terrestres puisqu'elle permet à la plante hôte de fixer l'azote atmosphérique. L'interaction initiale entre le poil absorbant de la plante hôte et son partenaire bactérien repose sur un dialogue moléculaire complexe. L'évènement de signalisation le plus précoce, détecté immédiatement après la perception des facteurs Nod bactériens, est un influx de Ca2+, accompagné d'une inhibition de la pompe à proton et d'un efflux de Cl- conduisant à une dépolarisation de la membrane plasmique. Cette dépolarisation provoque un efflux de K+ permettant le repolarisation de la membrane. L'objectif de ce travail a été d'identifier des acteurs moléculaires de cette signalisation électrique en utilisant Medicago truncatula comme légumineuse modèle. Dans un premier temps, nous avons identifié un répertoire de gènes candidats à partir de l'analyse du transcriptome du poil absorbant obtenu par RNA-Seq. Nous avons alors exprimé différents candidats (2 canaux anioniques, 1 canal cationique potentiel de la famille CNGC et 1 canal potassique) dans des ovocytes de xénope pour tester leur fonctionnalité (dans ce système) et préciser leurs propriétés de transport. Nous nous sommes alors focalisés sur l'analyse de la fonction in planta du gène codant le canal potassique (démontré comme étant de type rectifiant sortant) en précisant son patron d'expression par transgenèse et sa fonction par génétique inverse. L'absence d'expression fonctionnelle de ce gène se traduit par la disparition complète du courant potassique voltage-dépendant sortant des cellules de M. truncatula. Les premières analyses indiquent que cette perte de fonction n'inhibe pas la capacité de nodulation de la plante mais l'affecte significativement. Elle impacte également la régulation de l'ouverture stomatique de la plante mais n'a pas d'effet sur la translocation de K+ dans la sève xylémienne racinaire vers les parties aériennes. / The legume-rhizobium symbiosis is of crucial importance in terrestrial ecosystems because it allows the plant to assimilate atmospheric nitrogen. The establishment of the interaction between plant root hairs and their symbiotic bacterial partners relies on complex signaling mechanisms. The earliest detected event, immediately triggered by root hair perception of Nod-factors, is a Ca2+ influx, proton pump inhibition and efflux of Cl- resulting in depolarization of the cell membrane. This depolarization is followed by K+ efflux, allowing repolarization of the cell membrane. The general objective of this work is to identify the molecular mechanisms underlying this electrical signaling by using the legume model Medicago truncatula. In a first step, we identified candidate ion channels and transporters by analyzing the root hair transcriptome obtained by RNA-Seq. Then, several candidate genes (1 member from the CNGC channel family, 1 from the Shaker K+ channel family and 2 from the SLAC anion channel family) were expressed in Xenopus oocytes to check their activity in this heterologous system and determine their functional properties. Then, we focused on the gene encoding the Shaker channel, shown to mediate outwardly-rectifying voltage-gated K+ selective currents. We analyzed its expression pattern using a GUS construct and its function in planta by phenotyping a loss-of-function mutant pant. A first set of experiments has shown that the loss-of-function mutation does not suppress the plant nodulation capacity but significantly depresses it. It also affects the control of stomatal aperture upon water stress but let unchanged K+ secretion into the xylem sap in roots and translocation towards the shoots.

La symbiose entre les légumineuses et les Rhizobiacées est la source d’azote fixé la plus importante pour le bon fonctionnement des écosystèmes naturels et agricoles. Très étudiée chez des légumineuses modèles, certains aspects de cette interaction restent peu connus ; c’est le cas des mécanismes génétiques et fonctionnels qui contrôlent la spécificité hôte-symbiote. Il n’y a que peu d’études globales consacrées à ce phénomène, et les gènes symbiotiques sont très peu connus chez les espèces non-modèles. Dans ce contexte, nous avons étudié un cas de changement de spécificité symbiotique remarquable chez des espèces phylogénétiquement proches du genre Lupinus (Fabacées). Tout d’abord, la reconstruction et l’analyse de génomes chloroplastiques complets a permis de camper le cadre évolutif de la symbiose en générant de nouveaux marqueurs d’intérêt pour clarifier la phylogénie et l’évolution des lupins. A partir d’une expérimentation d’inoculation croisée impliquant trois espèces de lupins méditerranéens et deux souches compatibles et incompatibles de Bradyrhizobium, une approche RNA-Seq a permis de produire les premiers nodulomes de lupin et d’identifier les gènes symbiotiques. L’analyse des gènes différentiellement exprimés a montré que la spécificité symbiotique affecte non seulement la voie de signalisation et de régulation de la symbiose, mais également une diversité de voies métaboliques associées. Enfin, l’étude de la dynamique évolutive et fonctionnelle de quelques gènes a mis en évidence l’impact et l’importance des phénomènes de duplication aux différents niveaux de la cascade génétique symbiotique. / Legumes-Rhizobia symbiosis is the most important fixing nitrogen source for the good functioning of both natural and agricultural ecosystems. Although, it is extensively studied in model legumes, some aspects of this interaction remain unclear, such as the genetic and functional mechanisms controlling the host-symbiont specificity. Large scale studies of this process are scarce and symbiotic genes are not well described in non-model species. In this context, the effect of symbiotic specificity was investigated in phylogenetically close relative species belonging to the Lupinus genus (Fabaceae). First, the reconstruction and analysis of complete chloroplast genomes allowed us to generate new and useful markers for clarifying the Lupinus phylogeny in order to lighten the evolutionary context of the symbiosis. Following a cross-inoculation experiment of three Mediterranean lupine species with two compatible or incompatible Bradyrhizobium strains, a RNA-Seq approach allowed the reconstruction of the first lupine nodulomes and the identification of lupine symbiotic genes. The analysis of differentially expressed genes revealed that the symbiotic specificity affects not only the signalling and regulatory symbiotic pathways, but also diverse associated metabolic pathways. Finally, evaluating the evolutionary and functional dynamics of genes highlighted the importance of gene and genome duplication events at different steps of the symbiotic genetic pathway.

L’architecture du système racinaire des légumineuses est déterminée par la croissance des racines et leur capacité à former des racines latérales et des nodosités symbiotiques fixatrices d’azote en fonction des conditions environnementales. Chez la légumineuse modèle Medicago truncatula, nous avons mis en évidence que les phytohormones gibbérellines (GAs) et leur voie de signalisation – médiée par trois protéines MtDELLAs présentant des profils d’expression redondants – jouent un rôle clé dans la régulation du développement du système racinaire. En conditions non-symbiotiques, les GAs régulent négativement la croissance racinaire en réprimant l’activité méristématique et l’élongation cellulaire, et inhibent la formation des racines latérales. En conditions symbiotiques, le rôle des GAs et de leur voie de signalisation est double : au niveau de l’épiderme, les protéines MtDELLAs régulent positivement l’infection par les bactéries symbiotiques Rhizobia en interagissant de façon directe avec la voie de signalisation des facteurs Nod bactériens. Au niveau du cortex, les GAs régulent négativement l’organogénèse des nodosités. Les phytohormones cytokinines (CKs) et leur récepteur MtCRE1 étant essentiels pour initier la nodulation, l’interaction entre les voies de signalisation GA et CK a été analysée en parallèle. Les CKs régulent le niveau de GAs bioactives en modulant l’expression des gènes de leur métabolisme de manière dépendante du récepteur aux CKs MtCRE1. Réciproquement, les GAs régulent les gènes du métabolisme CK et le niveau de CKs bioactives de manière dépendante des MtDELLAs. Par ailleurs, une forme activée de MtDELLA complémente partiellement le phénotype de nodulation du mutant cre1 et lie le promoteur de MtCRE1, indiquant que les voies de signalisation GA et CK régulent la nodulation en étroite association. / Legume root system architecture is determined by both root growth and their ability to form lateral roots and nitrogen-fixing symbiotic nodules, depending on environmental soil conditions. In the model legume Medicago truncatula, we have shown that the phytohormones gibberellins (GAs) and their signaling – involving three MtDELLA proteins with redundant expression patterns – play a crucial role in the regulation of the root system development. In non-symbiotic conditions, GAs negatively regulate root growth through the repression of meristematic activity and cell elongation, and inhibit lateral root formation. In symbiotic conditions, GA and their signaling pathway play a dual role: in the root epidermis, MtDELLA proteins positively regulate infection by symbiotic bacteria Rhizobia, by directly interacting with the bacterial Nod factor signaling pathway. In the root cortex, GAs negatively regulate nodule organogenesis. The phytohormones cytokinins (CKs) and their receptor MtCRE1 being essential for the initiation of nodulation, we additionally analyzed the crosstalk between GA and CK signaling. CKs regulate the bioactive GA pool, controlling the expression of GA-metabolic genes, depending on the MtCRE1 receptor. In turn, GAs regulate CK-metabolic genes and the bioactive CK pool, depending on MtDELLAs. In addition, a dominant version of a MtDELLA partially complements the nodulation phenotype of the cre1 mutant and binds to the MtCRE1 promoter. These results indicate that GA and CK signaling pathways closely interact to regulate nodulation.

En cas de carence azotée, les légumineuses sont capables de mettre en place une symbiose avec des bactéries du sol fixatrices d’azote appelées rhizobia. Cette symbiose a lieu dans un organe appelé nodosité où les bactéries sont endocytées et appelées bactéroïdes. Certains clades de légumineuses imposent un processus de différenciation à leurs bactéroïdes qui agrandissent considérablement et deviennent polyploïdes, menant à des morphotypes bactériens allongés ou sphériques. Au cours de cette thèse, j’ai étudié la différenciation des bactéroïdes de Bradyrhizobium spp. en association avec Aeschynomene spp.. Les bactéroïdes de ces plantes présentent des degrés de différenciation distincts qui dépendent de l’espèce hôte. Mes données suggèrent que les bactéroïdes les plus différenciés sont aussi les plus efficaces. J’ai cherché à savoir quels facteurs procaryotes pourraient être impliqués dans les adaptations des bactéroïdes au processus de différenciation et à leurs divers hôtes, le tout en lien avec cette différence d’efficacité symbiotique au travers d’approches globales sans a priori de type -omiques. Les conditions considérées sont des bactéroïdes de différents morphotypes et des cultures libres de référence. Les fonctions activées en conditions symbiotiques ont été identifiées, ainsi que les gènes spécifiques d’un hôte donné. Des analyses fonctionnelles des gènes d’intérêt ont également été menées. Les mutants bactériens n’ont toutefois pas présenté de phénotype symbiotique drastique, montrant ainsi l’existence de réseaux de gènes complexes menant à la résilience des génomes de rhizobia. / In case of nitrogen starvation, legume plants establish a symbiotic interaction with nitrogen-fixing soil bacteria called rhizobia. This interaction takes place in nodules where the symbionts are internalized and become bacteroids. Some legume clades also impose a differentiation process onto the bacteroids which become enlarged and polyploid, leading to elongated or spherical morphotypes. During my PhD work, I have studied bacteroid differentiation of Bradyrhizobium species in association with Aeschynomene spp.. These bacteroids display distinct differentiation levels depending on the plant host, and my analyses suggest that the most differentiated ones are also the most efficient. I investigated the bacterial factors potentially involved in the adaptations to differentiation and host-specificity, and related to the higher efficiency of the most differentiated bacteroids using global-omics approaches without a priori. The analyzed conditions were bacteroids of distinct morphotypes and free-living reference cultures. Activated functions under symbiotic conditions were identified, as well as host-specific ones. Functional analyses were performed on genes of interest. However, the bacterial mutants did not display drastic symbiotic phenotypes, showing the existence of complex gene networks leading to high resilience of rhizobial genomes.

L’association symbiotique entre les légumineuses et les rhizobia aboutit à la formation de la nodosité fixatrice d’azote. Cet organe symbiotique généré de-novo permet l’hébergement intracellulaire des rhizobia qui, grâce à leurs activités nitrogénase,réduisent l’azote atmosphérique en ammonium, une forme de l’azote directement assimilable par la plante hôte.Les mécanismes moléculaires sous-jacents à la reconnaissance entre les deux partenaires symbiotiques, au processus d’infection et à l’organogénèse de la nodosité sont bien décrits, cependantl’établissement et la maintenance de l’identité de cet unique organe souterrain restent incompris.Les gènes NODULE-ROOT de Medicago truncatula, BLADEON-PETIOLE d’Arabidopsis thaliana et COCHLEATA de Pisumsativum sont membres du clade spécifique très conservé NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) qui fait partie de la famille des gènesNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE. Chez les légumineuses, les membres de ce clade NBCL1 sont connus comme étant des régulateurs clés de l’identité de l’organe symbiotique.Mon travail de thèse a eu pour but d’améliorer la compréhension des rôles des gènes NBCL1, à la fois chez des espèces formant des nodosités indéterminées et déterminées, ainsi que de découvrir de nouveaux acteurs moléculaires impliqués dans l’identité de la nodosité dont la régulation est dépendante des gènesNBCL1, essentiellement par l’utilisation de mutants TILLING, Tnt1et LORE1 originaux chez trois espèces de légumineuses: la luzerne tronquée, le petit pois et le lotier.Ce travail rapporte essentiellement l’identification et la caractérisation de nouveaux mutants affectés dans des gènes qui font partie d’un second sous-clade NBCL2 spécifique des légumineuses.Nous avons révélé que les membres de ce sous-clade spécifique des légumineuses NBCL2 jouent d’importants rôles dans le développement de la nodosité, dans l’établissement et la maintenance de l’identité de la nodosité et par conséquence dans le succès et l’efficacité de l’association symbiotique.Ce travail suggère aussi qu’au cours de l’évolution, le programme de développement de la nodosité a recruté des mécanismes de régulations préexistants afin de réguler le développement de la nodosité et son identité, tel que le module de régulation impliquant des interactions entre des protéines NBCL et des facteurs de transcriptions basic leucine zipper de type TGACG. Nous avons identifié le facteur de transcription MtPERIANTHIA-LIKE, comme un premier partenaire protéique interagissant avec des protéines NBLC dans un contexte de nodosité symbiotique. Les gènes NBCL sont aussi impliqués dans les réseaux de régulations qui contrôlent le développement et le déterminisme de nombreux organes végétatifs et reproductifs aériens et sont également impliqués dans la capacité d’abscission de ces organes.Finalement, ce travail thèse a eu pour objectif d’explorer les rôles de ces gènes NBCL très conservés, dans le développement de la graminée non-domestiquée, Brachypodium distachyon. / The symbiotic interaction between legumes andrhizobia results in the formation of a symbiotic nitrogen fixingnodule.This de-novo generated symbiotic organ allows the intracellularaccommodation of the rhizobia which reduces through theirnitrogenase activity the atmospheric nitrogen in ammonium, anitrogen form usable by the host plant.The molecular mechanisms underlying the symbiotic partnersrecognition, the infection process and the nodule organogenesis arewell described, however the identity establishment and maintenanceof this unique underground organ remain mis-understood.The Medicago truncatula NODULE-ROOT, the Arabidopsisthaliana BLADE-ON-PETIOLE and the Pisum sativumCOCHLEATA genes are members of a highly conserved NOOTBOP-COCH-LIKE1 (NBCL1) specific clade that belongs to theNON-EXPRESSOR OF PATHOGENESIS RELATED PROTEIN1-LIKE gene family. In legumes, the members of this NBCL1 cladeare known as key regulators of the symbiotic nodule identity.The present thesis work aims to better understand the roles of theNBCL1 genes, in both indeterminate and determinate nodule formingspecies and to discover new molecular actors involved in theNBCL1-dependent regulation of the nodule identity essentially usingnovel TILLING, Tnt1 and LORE1 insertional mutants in three legumespecies, Medicago, Pisum and Lotus.This thesis work has allowed the identification and thecharacterization of new mutants for genes belonging to a secondarylegume-specific NBCL2 sub-clade. We revealed that the members ofthis legume-specific NBCL2 sub-clade play important roles in noduledevelopment, identity establishment and maintenance, andconsequently in the success and in the efficiency of the symbioticassociation.This thesis work also shows that during evolution, the noduledevelopmental program has recruited pre-existing regulatorymechanisms for the nodule development and identity, such as theregulatory module involving interactions between NBCL proteins andTGACG type basic leucine zipper transcription factors. We identifiedthe transcription factor, MtPERIANTHIA-LIKE, as a first interactingpartner of NBCL proteins in a context of root nodule symbiosis.NBCL genes are also involved in the regulatory networks thatcontrol the development and the determinacy of many abovegroundvegetative and reproductive organs and were also shown as involvedin their abscission ability.In this thesis we also explored the roles of these highly conservedNBCL genes in the development of the non-domesticated grass,Brachypodium distachyon.