Les légumineuses sont capables de s’associer en symbiose avec des bactéries du sol Rhizobium. Cette interaction culmine par la formation d’un nouvel organe racinaire appelé nodule, à l’intérieur duquel les bactéries différentiées fixent l’azote atmosphérique sous une forme assimilable par la plante hôte. La mise en place de cette association repose sur un dialogue moléculaire entre les deux partenaires, faisant intervenir des signaux bactériens lipo-chitooligosaccharidiques appelés Facteurs Nod (FNods). Chez la légumineuse modèle Medicago truncatula, la perception de ces signaux symbiotiques au niveau de l’épiderme racinaire, initie une voie de signalisation qui conduit à des oscillations calciques nécessaires pour l`activation de gènes de la plante hôte, tel le gène marqueur ENOD11. Il a été montré que les facteurs de transcription ERF ERN1/ERN2, étroitement apparentés, agissent comme des activateurs directs de la transcription d’ENOD11, via leur liaison à la séquence cis régulatrice NFbox. Le mutant ern1 est de manière cohérente requis pour l’activation d’ENOD11 en réponse aux FNods mais également au cours des étapes suivantes d’infection et de développement nodulaire. Cependant, ce mutant présente un phénotype symbiotique partiel soulevant la question d’une redondance fonctionnelle, qui pourrait être attribuée à la présence du facteur ERN2, étroitement apparenté. Ainsi, au cours de ma thèse, j’ai étudié la relation fonctionnelle entre les facteurs ERN1/ERN2 par de approches diverses visant à déterminer leur expression et fonctions relatives au cours de la symbiose rhizobienne. Mon travail de thèse a dans tout d’abord porté sur l’étude des profils d’expression spatio-temporels de gènes ERN au cours de la symbiose rhizobienne, corroborée par la dynamique de localisation cellulaire des protéines de fusions ERN. Ces facteurs sont exprimés de manière séquentielle mais aussi conjointe aux cours de la signalisation FNods et l’infection rhizobienne. Par la suite, des expériences de complémentation croisée, dans le fond mutant ern1, ont montré qu’ERN2 peut remplacer ERN1 pour l’induction d’ENOD11 en réponse aux FNods et pour la formation de nodules, dès lors qu’il est exprimé sous le contrôle du promoteur d’ERN1. Ceci indique que ces facteurs ont des activités biologiques similaires et suggère que l’absence de complémentation d’ern1 par le facteur endogène ERN2 est probablement liée à une régulation transcriptionnelle différentielle de la part de leurs promoteurs. Enfin, nous avons initié la caractérisation phénotypique de nouvelles lignées mutées au niveau du gène ERN2, dans le but d’identifier les fonctions spécifiques de ce facteur au cours de la nodulation. A travers l’analyse d’une lignée Tilling (ern2.1) présentant une mutation ponctuelle dans le domaine de liaison à l’ADN, nous avons mis en évidence un rôle d’ERN2 dans la progression des cordons d’infection au niveau du cortex racinaire. Des études moléculaires ont permis de montrer que l’acide aminé muté est un résidu conservé et important pour la topologie du domaine de liaison à l’ADN, mais également pour l’activité transcriptionnelle d’ERN2 sur ENOD11. Contrairement à ern1, le mutants ern2.1 et ern2.2 (mutant d’insertion) sont capables de former des nodules. Néanmoins, l’infection nodulaire apparait dans les deux cas parfois défectueuse, conduisant à une sénescence précoce. Ces résultats démontrent qu’ERN2 remplit aussi des rôles spécifiques au cours de la nodulation, qui ne sont pas entièrement complémentés par ERN1. Il semblerait donc que les facteurs ERN contrôlent des étapes communes et divergentes de l‘infection rhizobienne, ERN1 ayant un rôle prépondérant dans l`initiation et progression de l’infection tandis qu’ERN2 aurait un rôle secondaire, plus centré dans la progression des cordons. La lignée double mutant ern1ern2.1, ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de la redondance fonctionnelle entre ces deux facteurs au cours des symbioses racinaires / Legumes are able to associate in symbiosis with Rhizobia bacteria in the soil, which culminates in the formation of a new organ referred to as the root nodule, within which differentiated bacteria fix nitrogen to the benefit of the host plant. The establishment of this association relies on a molecular dialogue between the two partners, involving bacterial lipo-chitooligosaccharide signals called Nod factors (NF). In the model legume Medicago truncatula, the perception of these symbiotic signals in the root epidermis, initiates a signaling pathway that leads to calcium oscillation responses required for the activation of downstream genes such as the well-characterized ENOD11. Previously, ERN1 and the closely-related ERN2 transcription factors (TFs) were reported as direct activators of ENOD11 via binding to the NFbox regulatory unit. In addition, phenotypic analysis of the ern1 knockout mutant has confirmed the importance of ERN1 not only during NF signaling but also throughout subsequent infection and nodule development stages. Nevertheless, the ern1 mutant displays a less severe phenotype compared to plants mutated in other NF signaling genes, raising the question of a possible functional redundancy with the endogenous closely-related ERN2 factor. My PhD project was focused on the study of the functional relationship between ERN1 and ERN2 TFs. By using a variety of strategies we aimed at determining both ERN expression profiles and relative functions during nodulation. We first examined the spatio-temporal expression profiles of these genes during rhizobial symbiosis and correlated this with the dynamics of cellular localization of ERN fusion proteins. These analyses revealed that these factors possess both common and distinct expression profiles, correlated with cell-type specific and dynamic in vivo protein accumulation, tightly associated with rhizobial pre-infection and subsequent infection stages in M. truncatula. Further cross-complementation studies in the ern1 mutant background showed that, when ERN2 is expressed under the control of the ERN1 promoter, it can fully restore the ern1 phenotype regarding NF-elicited ENOD11 activation and nodule formation. This indicates that these factors have similar biological activities and suggests that the incapacity of endogenous ERN2 to complement the ern1 mutant is mainly due to differences in their promoter activities. Finally, we also initiated a phenotypic characterization of M. truncatula ern2 mutant lines, in order to get a better insight into ERN2 specific functions during nodulation. The phenotypic analysis of a Tilling line (ern2.1) carrying a point mutation in a conserved amino acid in the ERN2 DNA binding domain, revealed a role for ERN2 during infection thread progression in the root cortex. Further molecular studies demonstrated that this mutated amino acid in the Tilling line is conserved and required for optimal DNA binding domain topology and transcriptional activity of ERN2 on its target ENOD11 gene. In addition, the ern2.1 line and a second ern2.2 insertional mutant line are both capable of forming nodules, in contrast to the ern1 mutant. Nevertheless, these nodules are partly infection defective leading to premature senescence. These findings provide evidence that ERN2 possesses specialized functions during nodulation that cannot be fully complemented by ERN1. This suggests that ERN possess common and divergent functions, ERN1 having a predominant role in rhizobial infection initiation and progression while ERN2 having a secondary and more centered role during infection thread progression. The ern1ern2.1 double mutant line, recently generated during my PhD, opens new perspectives to further study the functional relationship between ERN TFs during root endosymbioses.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013ISAT0042 |
| Date | 20 February 2013 |
| Creators | Cerri, Marion |
| Contributors | Toulouse, INSA, Carvalho-Niebel, Fernanda de |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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