Symbioses Plantes Microorganismes IPPS - Master MBVB - 2013/2014 Thierry Heulin (DR, CNRS) / Cécile Vriet (ATER) Symbiose Plantes - Microorganismes 1. Diversité des interactions Plantes-Microorganismes 2. Les interactions Legumineuses-Rhizobia 3. Les interactions Plantes-Mycorrhiza MBVB - IPPS 2 Concept de mutualisme et de symbiose • Le mutualisme est une interaction facultative positive entre deux organismes. • Ex: les fleurs et les insectes pollinisateurs • La symbiose est un cas particulier de mutualisme: les organismes « vivent ensemble », en une association réciproquement bénéfique. • La symbiose accroît la valeur sélective (contribution à la génération suivante) des deux organismes • Au cours de l’évolution, on peut passer facilement du mutualisme à la symbiose. • Souvent, la symbiose s’établie entre un partenaire autotrophe et un partenaire hétérotrophe 3 Arbre phylogénétique (incl. Rhizbacteria) 4 Les différents types de symbioses 5 D’après : Marc-Henri Sélosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif ». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6). Les différents types de symbioses 6 Exemple de symbiose: algue/champignon www.biologie.ens.fr/bioemco/ 7 Exemple de symbiose: algue/champignon www.biologie.ens.fr/bioemco/ 8 Exemple de symbiose: cyanobactérie/champignon SYMBIOSE CYANOBACTERIES / CHAMPIGNON : LES LICHENS 9 Exemple de symbiose: cyanobactérie/champignon www.biologie.ens.fr/bioemco/ 10 Exemple de symbiose: fougère/cyanobactérie SYMBIOSE CYANOBACTERIES / FOUGERE AQUATIQUE : ANABAENA / AZOLLA http://cyanobacteries.pagesperso-orange.fr/pages/Physiologie/lichens.htm 11 Exemple de symbiose: arbre/cyanobactérie SYMBIOSE CYANOBACTERIES / CYCADALES (gymnosperms) 12 Exemple de symbiose: arbre/bacterie actinomycète SYMBIOSE ACTINORHIZIENNE FRANKIA /ALNUS http://cyanobacteries.pagesperso-orange.fr/pages/Physiologie/lichens.htm 13 Exemple de symbiose: arbre/champignon 14 Les mycorhizes 90 % des espèces végétales sont mycorhizées Il y a deux types principaux de mycorhizes : les endomycorhizes et les ectomycorhizes 15 Les mycorhizes Les ectomycorhizes (ou mycorhizes externes) concernent seulement 5 % des plantes vasculaires, en majorité des arbres des forêts tempérées et boréales ECTOMYCORHIZE 16 Les endosymbioses racinaires Les endomycorhizes (ou mycorhizes internes) sont la forme la plus répandue. Les endomycorhizes les plus repandues: endomycorhize vesiculaire arbusculaire (AM), colonisent environ 80 % des plantes vasculaires terrestres SYMBIOSIS LEGUMINEUSE/ RHIZOBACTERIA bactéries fixatrice d’azote ENDOMYCORHIZE ECTO-ENDOMYCORHIZE Les mycorhizes ENDOMYCORHIZE VESICULAIRE ARBUSCULAIRE (AM) • Très ancienne (400.106 a.), 80 % des plantes terrestres • Champignons de la division des Gloméromycètes (Glomales) ayant perdu la reproduction sexuée • Faible spécificité d’hôte Vesicles that may function as storage • Pas d’organogenèse organs of the fungus, are sometimes, • Nutrition minérale (Pi …) but not always, formed in AM. Gigaspora margarita (Gloméromycète) sur des racines de lotier (Lotus japonicus, Fabacées) 18 Les endosymbioses racinaires Les Rhizobia (genre Rhizobium; famille des Rhizobiaceae) sont des bactéries aérobies du sol, fixatrice d’azote atmospherique (N2). Ces bactéries vivent en symbiose avec des plantes de la famille des fabacées (legumineuses) en formant des nodosités SYMBIOSE LEGUMINEUSE/ RHIZOBACTERIA bactéries fixatrice d’azote ENDOMYCORHIZE ECTO-ENDOMYCORHIZE Endosymbiose racinaire fixatrice d’azote SYMBIOSE RHIZOBIUM / LEGUMINEUSES (Fabacea) • Plus récente (60.106 a.), concerne seulement les plantes de la famille des légumineuses • Bactéries aerobies du sol (Rhizobiacées) • Forte spécificité d’hôte • Organogenèse (formation de nodules) • Nutrition azotée Nodosités sur des racines de Medicago truncatula 20 Endosymbiose racinaire fixatrice d’azote Les légumineuses/Fabacées: • Troisième plus grande famille chez les angiospermes • Grande importance agronomique et alimentaire/économique du fait de leur capacité a former des symbioses avec les rhizobia • utilisés en ‘crop rotation’, comme fertilisant vert (riche en ammonia) • riche en protéines (graines, feuilles); importante source de protéines végétales pour l ’alimentation animale et humaine Exemple: Luzerne, trèfle, lotier, lentille, pois, soja, haricot, lupin… 21 Endosymbiose racinaire fixatrice d’azote 35% des protéines consommées dans le monde par l’homme + sources de lipides et de métabolites 2aires (isoflavonoïdes) 22 Endosymbiose racinaire fixatrice d’azote SYMBIOSE RHIZOBIUM / LEGUMINEUSES (Fabacea) Deux principaux types de nodule: indeterminé et determiné Determinate nodule Indeterminate nodule • • Found on the majority of legumes such as pea and medicago (alfalfa) Nodules maintain an active apical meristem that produce new cells for growth over the life of the nodule, with different zones that demarcate different stages of development/symbiosis • • Found on legume such as Glycine (Soybean) and Lotus Nodules lose meristematic activity shortly after initiation, thus growth is due to cell expansion resulting in mature nodules which are spherical in 23 shape Endosymbiose racinaire fixatrice d’azote SYMBIOSE RHIZOBIUM / LEGUMINEUSES (Fabacea) Nodule indeterminé • • • • Zone I: the active meristem Zone II: The infection zone Zone III: The nitrogen fixation zone Zone IV: the senescent zone 24 Symbiose Plantes - Microorganismes 1. Diversité des interactions Plantes-Microorganismes 2. Symbiose fixatrice d’azote Legumineuses-Rhizobia 3. Les interactions Plantes-Mycorrhiza MBVB - IPPS 25 Cycle de l’azote Bactéries dénitrifiantes H2 + 2NO3- N2 + 6H2O Bactéries nitriques NO2- + ½ O2 NO3- Bactéries nitreuses NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ Cycle de l’azote fixation non biologique (80.106 t/an) N N fixation biologique (100.106 t/an) R-NH2 végétaux dénitrification animaux ammonification ammonification NH4+ nitratation NO3- nitrification air sol NO2- nitrosation27 Importance de l’azote Azote: majeur facteur limitant de la croissance et du rendement des plantes cultivées Nitrogen: a limiting factor for plant growth N Azote (ions NO3- et NH4+) acides aminés, acides nucléiques, …. +N 12mM Nitrate -N 3mM Nitrate Maize Kernel in mature wild-type plants 28 La nutrition azotée des plantes Les sources d’azote N2 NH3 NH4+ N2 O NO NO2NO2 NO3- azote atmosphérique ammoniaque ammonium oxyde nitreux oxyde nitrique nitrite dioxyde d’azote nitrate forme la plus abondante faibles quantités Les plantes assimilent l’N sous la forme NH4+ ou NO3• Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-): nitrate transporter (NRT) • Conversion nitrate en nitrite (NO2-): cytosolic Nitrate Reductase (NR) • Conversion nitrite en ammonium (NH4+): Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplast La nutrition azotée des plantes Les sources d’azote N2 NH3 NH4+ N2 O NO NO2NO2 NO3- azote atmosphérique ammoniaque ammonium oxyde nitreux oxyde nitrique nitrite dioxyde d’azote nitrate forme la plus abondante faibles quantités Les plantes assimilent l’N sous la forme NH4+ ou NO3• Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-): nitrate transporter (NRT) • Conversion nitrate en nitrite (NO2-): cytosolic Nitrate Reductase (NR) • Conversion nitrite en ammonium (NH4+): Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplast Symbiose fixatrice d’azote Le cas des plantes hôtes pour des bactéries fixatrices d’N2 Symbiose Rhyzobium/légumineuse Les légumineuses forment des NODULES racinaires pour héberger les rhizobium, des bactéries capables de fixer l’N inorganique grâce à l’enzyme NITROGÉNASE. NITROGENASE Fixation de l’azote atmosphérique La nitrogénase : N2 + 8 H + 8 e- + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi • Réaction fortement consommatrice d’ATP • • 16 molécules d’ATP nécessaires pour chaque molécule N2 réduite (contre 3 ATP pour fixer une molécule de CO2 lors de la photosynthèse) 12 g de carbone nécessaire pour fixer 1 g de N2 • La nitrogénase est inactivée par l’oxygène > fixation de N2 à lieu dans des cellules spécialisées dans lesquelles la nitrogénase est présente et la 32 concentration en oxygène est faible. Fixation de l’azote atmosphérique La nitrogenase est presente seulement chez quelques bacteries: • Les cyanobacteries (ex: anabaena; fixation de N2 au sein d’heterocystes) • Les bacteries du sol fixatrice d’azote - en relation symbiotique avec les plantes de la familles des legumineuses/Fabacées (ex: rhizobium, fixation de N2 dans des nodules) Heterocystes Nodules Réaction fortement consommatrice d’ATP > Si beaucoup d’azote present dans le milieu > peu d’heterocystes produits chez les cyanobacteries. 33 Fixation de l’azote atmosphérique Sensibilité de la nitrogénase à l’oxygène: Les protéines Fe et MoFe du complexe nitrogénase sont rapidement inactivées par l’O2. Pb car les grandes quantités d ’énérgie requise (sous forme d’ATP; produits par la chaine respiratoire) nécessite la présence d’O2 > Les cyanobactéries fixent l’azote dans les cellules spécialisées: les heterocystes: cellules photosynthétique sans la fraction de l’appareil photosynthétique qui libère de L’O2 (> maintien conc. Intracellulaire en O2 faible) > La fixation d’N2 s’effectue dans des cellules specialisées: les nodules chez les légumineuses. L’apport d’O2 est régulé par la leghémoglobine, une protéine qui lie l’O2 synthetisée par la plante hôte et localisée dans les cellules infectées (> maintien conc d’O2 a un niveau permettant la production d’ATP tout en empêchant l’inactivation de la nitrogénase). Devenir de l’hydrogene: Minimum une molecule d’H2 produite pour chaque molécule d’N2 réduite. Si la nitrogénase ne fonctionne pas à un niveau optimale > e- deviés vers la production d’H2. > Beaucoup de bactéries fixatrice d’N2 possèdent une enzyme oxygène dépendante, l’hydrogènase (genes hup), qui récupère une partie de l’énérgie perdue par la production d’H2. 34 Symbiose fixatrice d’azote Rhizobium-legume symbiosis: • N2 fixation happens in root nodules • Complex developmental process that requires genes of both bacteria and plants • It is species-specific • Bacterium and plant respond to signals from each other D’après : Marc-Henri Sélosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6). 35 Symbiose fixatrice d’azote 36 Symbiose fixatrice d’azote Les bactéries du genre rhizobium fixent l’azote atmosphérique et fournissent de l’azote à la plante hôte (famille des Fabacea). En échange, les rhizobium consomment l’énérgie fournie par les sucres issus de la photosynthèse de la plante hôte. 37 Symbiose fixatrice d’azote 38 Symbiose fixatrice d’azote 39 Symbiose fixatrice d’azote 40 Symbiose fixatrice d’azote 41 Symbiose fixatrice d’azote Oldroyd & Downie (2004). Calcium kinases and nodulation signalling in legumes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 5, 566-576. 42 Symbiose fixatrice d’azote Infection des poils absorbants par Rhizobium Inoculé Hac = hair curling = “courbure de poil” Non inoculé 43 Symbiose fixatrice d’azote 44 Symbiose fixatrice d’azote Jeune nodule et racine latérale émergente (3 dpi) 45 Symbiose fixatrice d’azote Medicago truncatula WT ; 4 j post-inoc 46 Symbiose fixatrice d’azote 47 Symbiose fixatrice d’azote 48 Symbiose fixatrice d’azote Nod factors (produced by the rhizobium) consist of a chitin backbone (3-5 Nacetylglucosamine residues) with a N-acyl group attached to the non-reducing sugar and a variety of additional substituents attached to the glucosamine residues. 49 Symbiose fixatrice d’azote 50 Symbiose fixatrice d’azote 51 Symbiose fixatrice d’azote 52 Symbiose fixatrice d’azote 53 Symbiose fixatrice d’azote 54 Symbiose fixatrice d’azote 55 Symbiose fixatrice d’azote ENODs: early nodulation genes 56 Symbiose fixatrice d’azote 57 Symbiose fixatrice d’azote 58 Symbiose fixatrice d’azote 59 Symbiose fixatrice d’azote Nod factor signaling in the epidermis • • • • Nod factor perception involves receptor-like kinases containing lysin motifs (LysM) and a leucine-rich repeat (LRR). This perception is linked to calcium spiking in the nucleus and to changes in root hair growth Nod factor signaling also involve a yet unknown secondary messenger and a potassium channel on the nuclear membrane Perception of the calciumspiking signal involves calcium/calmodulindependent protein kinase (CCaMK), and the transcriptional regulators NSP1, NSP2, and ERN 60 Symbiose fixatrice d’azote Nodule meristem formation in the cortex • • • The induction of cortical cell division is associated with increases in auxin, cytokinin, gibberellin (GA), and brassinosteroid (BR) levels. The histidine kinase LHK1 is involved in cytokinin perception and its activation is sufficient to induce cortical cell division. The action of LHK1 requires the transcriptional regulators NSP1 and NSP2. 61 Symbiose fixatrice d’azote Coordinated root development during nodulation NF: Nod Factors ENODs: early nodulation genes • • • Epidermal responses: nodulation (Nod) factor perception leading to gene expression change via a calcium spiking–dependent signaling pathway and root hair deformation (signaling pathway independent of calcium spiking). Cortical responses: increases in cytokinin, auxin, and other hormones; cytokinin is perceived by Lotus histidine kinase (LHK1). Both responses also require the GRAS proteins nodulation signaling pathway 1 (NSP1) 62 and NSP2 (transcriptional regulators of the early nodulation genes) Symbiose fixatrice d’azote Nodulation strategies in rhizobia. Rhizobia induce the formation of nodules on legumes using either a NF-dependent (a) or a NF-independent (b) process Gherbi H et al., Trends in Microbiology Vol.17 No.10 63 Symbiose fixatrice d’azote Gènes ENODs (early noduline genes): • Exprimés pendant le processus d’infection et de développement du nodule • Impliqués dans la synthèse de la membrane plasmique qui délimite le cordon d’infection, la formation du méristème nodulaire et la division des cellules corticales • … • Exemple: • ENOD11: putative cell wall repetitive proline-rich proteins (RPRPs) • ENOD40: non-coding RNA gene; has a function of cytoplasmic relocalization of nuclear proteins • RIP1: encodes a putative peroxidase protein; involved in ROS production • • • Gènes de Nodulines tardives: Exprimés au debut de la fixation de l’N2 Role dans le fonctionement et la maintenance des nodules. Exemple: genes encodant • La leghemoglobine (noduline tardive la plus abondante) • La glutamine synthase 64 Symbiose Plantes - Microorganismes 1. Diversité des interactions Plantes-Microorganismes 2. Symbiose fixatrice d’azote Legumineuses-Rhizobia 3. Symbiose Plantes-Mycorrhiza MBVB - IPPS 65 Symbiose Arbuscular Micorrhiza (AM) Phosphate (Pi) uptake by (a) non-mycorrhizal and (b) mycorrhizal roots. In the absence of colonization: Pi is taken up by plant phosphate transporters located in the outer membrane of the rhizodermis and root hairs (green spots). In mycorrhizal plants: a second pathway becomes active; phosphate is taken up by the extraradical hyphal network (orange) and delivered to arbuscles where it is absorbed by plant phosphate transporters in the periarbuscular membrane (red spots) 66 Symbiose AM The arbuscule periarbuscular space: fungal and plant cell material plant periarbuscular membrane Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) 67 Symbiose AM Metabolic fluxes in AM polyphosphate granules Pi periarbuscular space (PAS) plant periarbuscular membrane (PAM) Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 68 2008) Symbiose AM Root colonization by AM fungi In most legumes 5. TA: terminal arbuscules 4. intracellular hypha 3. penetrating hypha In carrot 4 & 5. intracellular hyphal coils that subsequently differentiate into intercalary arbuscules (IA) 2. HP: swollen hyphopodia 1. S: soil-borne AM spores In all cases, intracellular hyphae are surrounded by the perifungal interface: an apoplastic compartment limited by an invagination of the plant plasma membrane and containing a thin layer of cell-wall materials of plant origin 69 Trends in Plant Science Volume 13, Issue 9, September 2008, Pages 492-498 Symbiose AM http://agronomy.wisc.edu/symbiosis/presentation.htm • • • Myc factors are symbiotic signals that permit a stimulation of the formation of mycorrhiza, in both leguminous plants such as Medicago trunculata , as well as species belonging to other plant families. Myc factors are also growth regulators that can stimulate root branching and growth. The Myc Factors, synthesized by a soil AM fungus in response to the production of the phytohormone strigolactone by the plant, are lipochitooligosaccharides (LCOs) that belong to the same chemical family as the Nod factors, synthesized by rhizobia. 70 Symbiose AM Facteurs Myc (LCOs) 71 Symbiose AM Steps in AM development • Plant roots exude the phytohormones strigolactones which induce spore germination and hyphal branching. • Fungi produce mycorrhiza (Myc) factors that induce calcium oscillations in root epidermal cells and activate plant symbiosis-related gene expression. • Plant cells produce a prepenetration apparatus (PPA) that guides the fungus through root cells towards the cortex. The fungus then enters the apoplast, where it branches and grows laterally along the root axis. These hyphae induce the development of PPA-like structures in inner cortical cells, enters these cells, and branch to form arbuscules. • New spores are typically synthesized outside of the plant root at the leading tip of individual fungal hyphae 72 Rk: Strigolactones also induce seed germination in parasitic plants, such as Striga. Symbiose AM Common symbiosis signaling components for AM and root-nodule symbiosis Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) 73 Symbiose fixatrice d’azote et AM Common sym mutants and their corresponding phenotypes Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) 74 Symbiose fixatrice d’azote et AM Common sym mutants and their corresponding phenotypes http://www.jic.ac.uk/staff/giles-oldroyd/nod-factor.html 75 Symbiose fixatrice d’azote et AM Also expressed during mycorrhization 76 Symbiose bacterienne et mycorhizienne Symbioses bactérienne et mycorhizienne: quels sont les points communs ? Les microsymbiontes doivent pénétrer la racine à travers l’épiderme et le cortex sans susciter des réactions de défense chez la plante Mutations de la plante hôte qui affectent les deux symbioses (Nod- / Myc-) Similarités structurales et biochimiques des interfaces endocellulaires d’échange Activation de gènes de nodulines précoces par la mycorhization Réactions de défense limitées mécanismes communs ou similaires de perception et transduction des signaux, de développement etc… ? Intérêt de l’étude comparative de ces deux symbioses, et // autres interactions biotiques 77 Symbiose bacterienne et mycorhizienne 78 Pour approfondir… • Oldroyd GE, Downie JA. Coordinating nodule morphogenesis with rhizobial infection in legumes. Annu Rev Plant Biol. 2008;59:519-46. PubMed PMID: 18444906. • Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nat Rev Microbiol. 2008 Oct;6(10):763-75. PubMed PMID: 18794914. • Corradi N, Bonfante P. The arbuscular mycorrhizal symbiosis: origin and evolution of a beneficial plant infection. PLoS Pathog. 2012;8(4):e1002600. PubMed PMID: 22532798. • Jones KM, Kobayashi H, Davies BW, Taga ME, Walker GC. How rhizobial symbionts invade plants: the Sinorhizobium-Medicago model. Nat Rev Microbiol. 2007 Aug;5(8):619-33. PubMed PMID: 17632573. • Denison RF, Kiers ET. Life histories of symbiotic rhizobia and mycorrhizal fungi. Curr Biol. 2011 Sep 27;21(18):R775-85. PubMed PMID: 21959168. • Bhattacharyya PN, Jha DK. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture. World J Microbiol Biotechnol. 2012 Apr;28(4):132779 50. PubMed PMID: 22805914. Livres de synthèse et crédits schémas et photos • Madigan, Martinko et Parker (2000) Brock « Biology of Microrganisms » 9 ème édition. Prentice Hall Ed. (ISBN 0-13-081922-0). • Raven, Evert, Eichorn (2000). « Biologie Végétale ». Editeur : De Boeck Université (ISBN 2-7445-0102-6). • Marc-Henri Sélosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif ». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6). Des sites internets… Microbiologie générale http://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/microbes.htm http://commtechlab.msu.edu/sites/dlc-me/ Phylogénie http://phylogeny.arizona.edu/tree/ Rhizobium http://www.toulouse.inra.fr/lbmrpm/lbmrpm.htm http://www.cnrs-gif.fr/isv/AK/intro.html http://www.nap.edu/readingroom/books/bnf/chapter1.html Mycorhizes http://mycor.nancy.inra.fr/index.html http://mycorrhiza.ag.utk.edu/ 80 Root nodule formation in legumes 81 82 Arbre phylogénétique On the basis of phylogenetic analyses of highly conserved DNA sequences, living organisms have been divided into three major domains: Bacteria, Archaea, and Eukarya 83 Arbre phylogénétique Archaea Eukaryota Bacteria Ciccarelli et al., Science (2006) 84 85 86 Symbiose fixatrice d’azote 87 Symbiose fixatrice d’azote William J. Deakin & William J. Broughton Nature Reviews Microbiology 7, 312-320 (April 2009) doi:10.1038/nrmicro2091 88 Symbiose fixatrice d’azote 89 Symbiose fixatrice d’azote Symbiose fixatrice d’azote : I étapes de la formation d’un nodule de type indéterminé II Méristème Infection Interzone rhizobia III Infection IV Epiderme Fixation d’azote Sénescence Cortex Endoderme Péricycle Organogenèse nodulaire Formation du méristème Nodule mature 90 Symbiose fixatrice d’azote Nodulines et gènes de nodulines : de nombreux types de gènes peuvent être induits au cours de la symbiose Rhizobium-légumineuse I Signal (Nod factor) perception and transduction Infection: mechanism and control Morphogenetic / molecular responses Signalling II III New metabolic fluxes : C sink - N source IV Senescence Cell cycle reactivation Root nodule organogenesis 91 Symbiose fixatrice d’azote http://www.isv.cnrs-gif.fr/veranglais/research/ffa/ffa.html 92 Symbiose fixatrice d’azote DOI: 10.5772/57267 93 Symbiose fixatrice d’azote 94 doi: 10.3389/fpls.2013.00042 Symbiose AM Martin Parniske 95 Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)
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