Les étapes précoces menant à la formation d’un organe symbiotique

La symbiose légumineuses-Rhizobium comprend de multiples étapes : la reconnaissance entre les bactéries et la plante hôte impliquant des échanges moléculaires et menant à l’induction

d’une voie de signalisation, la pénétration des bactéries in planta et la formation d’un organe symbiotique. Cette voie de signalisation induite par les rhizobia est en partie commune avec celle induite par les champignons symbiotiques mycorhiziens à arbuscules (AM) de l’ordre des Glomales (Gough & Cullimore, 2011). Cette voie de signalisation commune a été appelée « voie SYM ». La symbiose AM, très largement répandue, concerne plus de 80% des plantes terrestres et permet aux plantes hôtes d’améliorer leur nutrition hydrique et minérale et en particulier phosphatée. De nombreuses données suggèrent que l’apparition des gènes contrôlant la nodulation chez les plantes légumineuses, datant de 60 millions d’années, aurait évolué à partir de ceux impliqués dans la symbiose AM, bien plus ancienne (environ 400 millions d’années).

1. Dialogue moléculaire entre les deux partenaires

En condition de carence azotée, les légumineuses sécrètent des composés phénoliques, appelés flavonoïdes, qui sont les premiers signaux échangés avec les rhizobia (Figure 6) (Schultze & Kondorosi, 1998; Jones et al., 2007; Wang et al., 2012). Ces composés peuvent diffuser passivement à travers la membrane plasmique, et la perception de ces molécules signal par la protéine bactérienne NodD1 (nodulation protein D 1) résulte en l’activation des gènes nod (nodulation), codant pour les enzymes de biosynthèse des facteurs Nod (FN) (Peck et al., 2006). Les FN sont généralement constitués de 4 ou 5 résidus N-acétylglucosamine (GlcNAc), reliés par des liaisons β 1-4 (Figure 6)(Lerouge et al., 1990; Dénarié et al., 1996; Gough & Cullimore, 2011), et possèdent une chaîne acyle 16 ou 18C rattachée à la partie N- terminale du sucre non réducteur. Chez la symbiose AM, les molécules émises par le champignon, reconnues par la plante hôte et responsables de la symbiose ont une structure très proche des FN (Maillet et al., 2011). Ces facteurs sont appelés facteurs Myc (ou Myc- LCO) et possèdent une structure de base similaire à celle des FN mais portent cependant une chaine d’acide oléique non retrouvée chez les FN. Les sous-unités GlcNAc des FN peuvent être décorées par des groupes méthyle, fucosyle, acétyle et sulphate qui sont codés par des gènes nod spécifiques et présents dans certaines souches de rhizobia seulement (Gough & Cullimore, 2011). Ces substitutions chimiques dans l’oligosaccharide, couplées avec la longueur et le degré de saturation du groupe N-acyle, sont importantes pour la spécificité d’hôte et l’activité biologique des FN. Des mutants bactériens défectueux dans la production de FN ou des mutants de perception des FN chez les plantes ne peuvent plus établir d’interaction symbiotique (Oldroyd, 2013). Les FN ont donc un rôle crucial dans

DMI1 LYK3 NFP DMI2 MCA8 PUB1 SYMREM1 DMI3 IPD3 NSP1/2

NIN, ERN1/2, ENOD11 Milieu extracellulaire Membrane plasmique Cytoplasme Complexe de pore nucléaire Membrane interne Espace périnucléaire Membrane externe Facteurs de transcription Nucléoplasme Expression de gènes associés à la symbiose

Figure 7 : Voie de signalisation des Facteurs Nod.

Les FN sont perçus par les récepteurs membranaires LjNFR1/LjNFR5 chez L. japonicus et LYK3/NFP chez

Medicago truncatula. DMI2 chez Medicago et SYMRK chez L. japonicus pourraient agir comme corécepteur.

PUB1 est une E3-ligase qui régule négativement la nodulation probablement via son interaction avec LYK3. LYK3 peut aussi s’associer avec la protéine SYMREM1, composant des « rafts lipidiques ». En réponse aux FN, des oscillations calciques sont perçues dans le nucléoplasme et le cytoplasme périnucléaire. Ces oscillations sont permises par les transporteurs à potassium (K+_{) DMI1 chez M. truncautla et CASTOR et POLLUX chez L.}

japonicus et la pompe calcique ATPase MCA8. La protéine CCaMK, DMI3 chez M. truncatula, décoderait les

oscillations calciques et interagit avec la protéine IPD3, l’orthologue de CYCLOPS chez L. japonicus. Le complexe de facteurs de transcription NSP1/NPS2 induit l’expression des gènes de réponses aux FN, tels qu’ENOD11, ERN1 et NIN. Jusqu’à maintenant, la connexion entre CCaMK-IPD3 et NSP1/NSP2 n’a toujours pas été éclaircie. Les noms en rouge correspondent aux gènes identifiés chez M. truncatula.

CCaMK : calcium- and calmodulin- dependent serine/threonine protein kinase ; DMI1 : does not make infection 1 ; DMI2 : does not make infection 2 ; DMI3 : does not make infection 3 ; ENOD11 : early nodulin 11 ; ERN1 : ethylene response factor required for nodulation 1 ; IPD3 : interacting protein of DMI3 ; LjNFR1 : L. japonicus Nod factor receptor 1 ; LjNFR5 : L. japonicus Nod factor receptor 5 ; LYK3 : LyM domain-containing receptor-like kinase 3 ; MCA8 : M. truncatula calcium ATPase 8 ; NIN : nodule inception ; NFP : Nod factor perception ; NSP1: nodulation signalling pathway 1 ; NPS2 : nodulation signalling pathway 2 ; PUB1 : plant U-box protein 1 ; SYMREM1 : Symbiotic remorin 1 ; SYMRK : symbiosis receptor-like kinase.

l’établissement de la symbiose nodulaire. Cependant, l’importance des FN pour l’infection des légumineuses n’est pas universelle. En effet, les souches BTAi1 et ORS278 de Bradirhyzobium, formant des nodosités racinaires ou caulinaires en association avec certaines espèces d’Aeschynomene, sont dépourvues des gènes nodABC (Giraud et al., 2007).

2. Voie de signalisation induite par les facteurs Nod

a. Les récepteurs des Facteurs Nod

Les résidus GlcNAc sont capables de se lier à des domaines LysM (lysin motif) de 40 acides aminés, retrouvés dans tous les organismes vivants, à l’exception des Archaea. La famille des récepteurs kinase à domaine LysM, appelés LysM-RLK (LysM receptor-like kinase), est spécifique aux plantes et est divisée en deux groupes : les LYK (LysM domain containing receptor-like kinase) contenant un domaine kinase en plus du domaine LysM et les LYR (LysM domain containing receptor) ayant un domaine kinase non fonctionnel (voir revues (Gough & Cullimore, 2011; Gust et al., 2012; Oldroyd, 2013)). Chez M. truncatula et L. japonicus, les gènes LYR, NFP (Nod factor perception) et LjNFR5 (L. japonicus nod factor receptor 5), et les gènes LYK, LYK3 (LysM domain containing receptor-like kinase 3) et LjNFR1 (L. japonicus nod factor receptor 1), sont requis pour la nodulation et l’infection via les FN (Figure 7) (Madsen et al., 2003; Radutoiu et al., 2003; Arrighi et al., 2006). L’hypothèse que LYK3 et NFP formeraient un complexe hétérodimère, où LYK3 s’auto- phosphoryle et trans-phosphoryle NFP, est basée sur le modèle LjNFR1/LjNFR5 (Madsen et al., 2011). DMI2 (does not make infection 2) ou NORK (nodulation receptor kinase) chez Medicago et SYMRK (symbiosis receptor-like kinase) chez L. japonicus sont des récepteurs kinases contenant un domaine LRR (leucine-rich-repeat) requis pour la signalisation des FN (Endre et al., 2002; Stracke et al., 2002). Leur fonction exacte est encore inconnue mais ils pourraient agir comme co-récepteur avec le complexe LYK3/NFP et NFR1/NFR5 pour la nodulation.

Chez M. truncatula, alors que NFP est essentiel pour la perception des FN, il ne semble pas requis pour la reconnaissance des Myc-LCO (Maillet et al., 2011). Toutefois, chez Parasponia, il a été montré qu’un gène homologue à NFP et NFR5, appelé PaNFP (Parasponia Nod Factor Perception), est requis à la fois pour la nodulation et la mycorhization (Op den Camp et al., 2011). Les auteurs du papier émettent l’hypothèse qu’au