Les gènes impliqués dans la reconnaissance spécifique des facteurs Nod ont été identifiés chez plusieurs espèces de légumineuses : Nod Factor Receptor1 (NFR1) et NFR5 chez L.
japonicus (Madsen et al., 2003; Radutoiu et al., 2003) et Glycine max (Indrasumunar and
Gresshoff, 2010) ; LYK3 (LYsin motif receptor-like Kinase3) et Nod Factor Perception (NFP) chez M. truncatula (Arrighi et al., 2006; Limpens et al., 2003) ; SYM37 et SYM10 chez Pisum
sativum (Zhukov et al., 2008). Ces gènes correspondent à des récepteurs serine/thréonine
kinase de la famille des LysM-RLKs, ils possèdent trois motifs lysine (LysM) dans leur domaine extracellulaire, un domaine transmembranaire et un domaine kinase intracellulaire (Fig 32). Ces types de récepteur se trouvent exclusivement chez les plantes et peuvent être regroupés en deux sous familles : les LYK, qui possèdent un domaine kinase actif, et les LYR dont la kinase est inactive (Gust et al., 2012). Les motifs LysM, identifiés pour la première fois chez les bactéries (Bateman and Bycroft, 2000), sont très représentés au sein du règne végétal et sont connus pour interagir avec des composés contenant de la N-acétylglucosamine (GlcNAc), comme le peptidoglycane et la chitine, ce qui suggère que les LysM-RLKs symbiotiques pourraient percevoir les facteurs Nod (Iizasa et al., 2010; Kaku et al., 2006; Petutschnig et al., 2010; Willmann et al., 2011).
Chez L. japonicus, NFR1 et NFR5 pourraient former un complexe capable de reconnaitre spécifiquement les facteurs Nod produits par Mesorhizobium loti, le symbiote de L. japonicus. En effet, le transfert des gènes LjNFR1 et LjNFR5 chez M. truncatula a permis d’étendre le spectre d’hôte à M. loti (Radutoiu et al., 2007). Récemment, Broghammer et coll. ont décrit une liaison des facteurs Nod aux récepteurs NFR1 et NFR5 (Broghammer et al., 2012). Etant donné que le domaine kinase de LjNFR5 est inactif, LjNFR1 pourrait jouer un rôle crucial dans la transmission du signal symbiotique (Madsen et al., 2003). Chez M. truncatula, NFP,
Figure
28.
Reconnaissance
entre
Medicago
truncatula
et
Sinorhizobium meliloti
NodDGènes nod
S. meliloti
Lutéoline
Sinorhizobium melilotiFlavonoides
NF
Dans la rhizosphère des flavonoïdes sont exsudés des racines de M. truncatula et vont attirer S. meliloti.
La lutéoline va être reconnue spécifiquement par S. meliloti et va permettre la liaison du facteur de transcription NodD sur la nod box présente dans la région promotrice des gènes nod. Cette liaison va induire la transcription des gènes nod et ainsi déclencher la synthèse des facteurs Nod (NF) indispensable pour que l’interaction symbiotique ait lieu.
38 dont le domaine kinase est inactif, pourrait être l'orthologue de NFR5, et LYK3, dont le domaine kinase est actif, pourrait être l’orthologue de NFR1 (Arrighi et al., 2006). Un mutant
NFP ne présente plus aucune réponse à l’application de facteurs Nod purifiés de S. meliloti
(Amor et al., 2003). En revanche, le mutant hcl de LYK3, conserve les réponses les plus précoces telles que les oscillations calciques, et la déformation des poils (Catoira et al., 2000). Alors que chez L. japonicus il semble y avoir un complexe de récepteurs unique impliqué dans la reconnaissance des facteurs Nod, chez M. truncatula les deux récepteurs pourraient intervenir à des niveaux différents : NFP, serait impliqué dans un complexe récepteur dit de signalisation et LYK3, dans un complexe récepteur dit d’entrée, contrôlant la pénétration des bactéries dans la racine.
NFP, un récepteur de signalisation
NFP est induit dès le début de l’interaction symbiotique et son profil d’expression au cours de la symbiose a été étudié grâce à une fusion entre le promoteur de NFP et un gène rapporteur GUS (Arrighi et al., 2006; Rival et al., 2012). L’expression de NFP est observée dans les cellules épidermiques et corticales des racines non inoculées par S. meliloti. Suite à l’inoculation par le symbiote, l’expression de NFP est relocalisée de manière très intense dans les cellules corticales avant même que celles-ci ne soient pénétrées par le cordon d’infection en progression. L’expression dans l’épiderme est nettement diminuée. Dans les nodules matures NFP est exprimé dans la zone d’infection (Rival et al., 2012). Le profil d’expression de NFP accompagne donc le processus infectieux.
Des expériences de complémentation du mutant nfp avec des protéines chimériques NFP dont le domaine extracellulaire a été remplacé par celui de SYM10, son orthologue chez le pois,
Figure 29. Structure du facteur Nod majoritaire de Sinorhizobium
meliloti et enzymes nécessaires à sa synthèse
Extrémité non
réductrice
Extrémité
réductrice
NodA NodB NodC NodF NodE NodL NodP NodH NodQLe facteur Nod mjoritaire de S. meliloti est constitué d'un tétramère de N-Acetyl- Glucosamine sur lequel sont greffés un acide palmitoléique (C16:2) et un groupement acétate à l’extrémité non-réductrice, et un groupement sulfate à l’extrémité réductrice. Les enzymes communes à tous les rhizobia sont notées en bleu et les enzymes responsables des décorations spécifiques des facteurs Nod de S. meliloti sont notées en orange, leur activité enzymatique est indiquée entre parenthèses..
39 ont permis de mettre en évidence un rôle différent pour les trois domaines LysM au cours de la symbiose (Bensmihen et al., 2011). Le symbiote du pois, Rhizobium leguminosarum bv.
viciae, produit des facteurs Nod non sulfatés, contrairement à ceux produits par S. meliloti.
Les réponses symbiotiques précoces telles que l'induction de MtENOD11 peuvent toujours être induites par S. meliloti chez les mutants nfp complémentés par la protéine chimérique SYM10-NFP, ce qui indique que le domaine extracellulaire provenant de SYM10 est capable de reconnaître des facteurs sulfatés. Ces expériences ont permis de démontrer que NFP n’est pas directement responsable de la reconnaissance du groupement sulfate des facteurs Nod. Cependant ces constructions chimériques ne permettent pas de restaurer l’infection et l’organogénèse nodulaire. Cette étude a montré l’importance du domaine LysM2, et en particulier un de ses résidus Leucine, dans le contrôle du processus infectieux (Bensmihen et al., 2011).
LYK3, un récepteur d’entrée
Des études par ARN interférents ont démontré que LYK3 contrôle le processus d’infection en fonction de la structure des facteurs Nod. MtLYK3 est impliqué dans la reconnaissance du groupement acyle et de l’O-acétylation sur le sucre non réducteur de la chaîne d'oligochitine (Limpens et al., 2003). Récemment, il a été montré qu’une protéine de la famille des U-Box possédant une activité E3 ubiquitine ligase, PUB1, interagit avec LYK3 et régule négativement l’infection (Mbengue et al., 2010). Une fusion LYK3-GFP a permis de déterminer la localisation subcellulaire de LYK3. Avant inoculation, LYK3 est distribué ponctuellement et de manière instable sur la membrane plasmique des poils absorbants. L’inoculation avec S. meliloti entraine une stabilisation de la protéine qui est dépendante de la présence du groupement sulfate des facteurs Nod. LYK3 est présente dans les poils
Figure 30. Zone de susceptibilité de la racine et déformations de
poils absorbants en réponse aux facteurs Nod et à rhizobium
Zone de
susceptibilité
A
B
C
D
A, représentation d’une plantule de luzerne avec en rouge la zone susceptibilité qui
correspond à la partie de la racine répondant à l’application des facteurs Nod. Cette région se situe juste après le méristème apical dans la zone d’émergence des poils absorbants. D ’après Gage 2004.
B et C, déformation de poils absorbants suite à l’application de facteurs Nod. le
gonflement ou « root hair swelling » en B et le branchement ou « root hair branching » en C (flèche).
E, courbure en crosse de berger qui n’est observée qu’en présence de la bactérie.
40 absorbants en élongation avant que l’infection ne débute et sa présence va rester associée avec la progression du cordon d’infection (Haney et al., 2011). Sa localisation subcellulaire est en accord avec sa fonctio de perception des facteurs Nod au cours du processus infectieux.