La symbiose mycorhizienne à arbuscules (MA) est une interaction mutualiste entre la plupart des plantes terrestres et des champignons appartenant à l’embranchement des Gloméromycètes. Dans cette interaction, le champignon agit en extension du système racinaire et permet à la plante d’accéder à des minéraux inaccessibles par le seul système racinaire. Les minéraux récupérés dans le sol, particulièrement le phosphore, sont ensuite échangés dans les racines des plantes hôtes contre des molécules carbonées nécessaires à la croissance de ces champignons. Les champignons MA sont en effet dépendants des sucres et de l’acide palmitique fournis par la plante hôte. Cette double dépendance inhabituelle soulève plusieurs questions biologiques. Autant les transporteurs fongiques de sucres ont été caractérisés, autant l’acquisition des acides gras (AG) demeure mal décrite. La régulation de cette double dépendance est inconnue : les transports de sucres et d’AG sont-ils co-régulés ? Il a été décrit que de fortes concentrations en phosphate dans la rhizosphère bloque le transport symbiotique de sucres. Cette répression agit-elle dans le transport des AG ? Comment un champignon associé à plusieurs plantes régule-t-il l’acquisition des différents nutriments de ces multiples hôtes ? Les échanges sont-ils équivalents ? Peut il obtenir plus de sucres de la part d’une plante et plus d’AG de la part de l’autre ? Pour répondre à ces questions, des designs expérimentaux originaux ont été mis au point, parallèlement à et des outils de transcriptomique et des stratégies de validation fonctionnelle.
Le premier chapitre présente un nouvel outil d’analyse de l’expression de gènes pour le champignon modèle Rhizophagus irregularis DAOM 197198 : RhiirExpress. Cet atlas de gènes, est un site web regroupant des multiples données de séquençage des ARN. Les données publiques ainsi que des données du laboratoire ont été traitées par un même pipeline informatique. Une première application de RhiirExpress a porté sur l’analyse du transportome de Rhizophagus irregularis dans 54 conditions biologiques différentes. Cette première analyse a permis de caractériser les différents patrons d’expression des gènes du transportome selon les conditions de croissance asymbiotiques, présymbiotiques et symbiotiques. Cette analyse a démontré des mécanismes d’absorption et d’utilisation des nutriments très contrastés selon les stades physiologiques du champignon.
Le second chapitre s’intéresse au fonctionnement du champignon lorsque celui-ci est simultanément connecté à un plant de sorgho et un plant de peuplier, ainsi qu’aux perturbations engendrées selon la disponibilité en phosphate. Ce design expérimental a permis de démontrer que le champignon ne se comporte pas équitablement selon les plantes. Dans notre cas le peuplier est une plante ligneuse pérenne avec un métabolisme C3 alors que le sorgho est une herbacée annuelle avec un métabolisme C4. Nos résultats montrent que R. irregularis est capable d’allouer différemment ses ressources aux différentes plantes hôtes, et suggèrent que les transports de sucres et d’AG pourraient être modulés de façon disjointes.
Dans le dernier chapitre, les gènes de R. irregularis impliqués dans le métabolisme des AG sont analysés. Les principaux acteurs du métabolisme des AG sont analysés durant toutes les étapes du cycle de vie des champignons MA avec une attention particulière apportée aux lipases sécrétées qui pourraient jouer un rôle dans l’acquisition des AG de l’hôte. L’intensité lumineuse ainsi que la concentration en phosphate ont été utilisés afin de moduler les transports symbiotiques, révélant des gènes candidats. Enfin, nous proposons que l’acquisition des AG impliquent un transport actif dans les arbuscules matures, et un mécanisme passif lors de la dégradation des arbuscules.
Ce travail a permis de dresser un portrait du métabolisme des AG en relation avec le transportome de ces champignons MA à forte incidence écologique. |
Arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is a widespread mutualistic interaction between most of land plants and fungi in the phylum of Glomeromycota. During this interaction, the fungus acts as an extension of the root system to recruit soil minerals and water, otherwise out of reach for plants. These minerals foraged by the fungus, particularly phosphorus, are bartered in host roots for carbon molecules necessary for development as AM fungi are unable to grow saprotrophically. It was recently demonstrated that AM fungi are dependent to hexoses and fatty acid (FA) delivered by the host plant. Such double dependency is intriguing and opens several biological questions. Firstly, although sugar transporters involved in AM symbiosis where identified, transport of lipids remains elusive. Secondly, regulation of this double C transport is unknown: are sugar/FA transports intertwined or independent? It was described that a high concentration of phosphate in the rhizosphere blocks symbiotic sugar transport. Is such regulation involved for FA exchanges? Thirdly, an AM fungus can be associated in the same time to different plants, even different plant species. How does the fungus regulate its nutrient exchanges? Are they stoichiometrically regulated whatever host plants, or does the fungus obtain more palmitic acid from one plant whereas more sugar from another? To deal with these questions, original experimental designs were developed, as transcriptomic specific tools and strategies of functional validation.
The first chapter presents a new tool to investigate gene regulation from the model fungus Rhizophagus irregularis DAOM 197198: RhiirExpress. This gene atlas, based on the Rhiir2.1 version gene repertoire, consists in a website gathering public and in house mRNAseq data analysed with the same bioinformatic pipeline. First application of Rhiirexpress was dedicated to analyze regulation of genes involved in the transportome of Rhizophagus irregularis in 54 biological conditions. This analysis allowed characterizing transporter gene patterns differently expressed in asymbiotic, presymbiotic and symbiotic stages, pointing out very contrasted absorptive strategies according to developmental stages.
In the second chapter we address the issue of the functioning of the fungus when connecting poplar and sorghum, and the disturbance of phosphate availability in the CMN on its functioning. Using transcriptomic and metabolic measures, this original experimental set-up showed that the fungus is acting very differently between plants having different demands. Poplar is a perennial woody plant with a C3 metabolism while sorghum is an annual grass with a C4 metabolism. The results showed that R. irregularis is able to differently allocate its resources according to host plant, and suggested that sugar and FA transports could be differentially modulated.
In the last chapter, the genes involved in FA metabolism of Rhizophagus irregularis were analysed. Key players of the FA metabolism was characterized along AM fungal life cycle, with a specific focus on putative secreted lipases that could be involved in plant FA acquisition. Light intensity and excess of phosphate were used as modulators of symbiotic activity and FA transport. Functional approaches were carried out to investigate the role of candidate genes. Finally, we propose that FA acquisition occurred by an active transport in mature arbuscules, and a passive mechanism when arbuscules collapse. We propose that the limitation of FA acquisition to arbuscule collapsing is an adaptive mechanism to a long biotrophic interaction.
This work aims at drawing up an overall picture of the FA metabolism in relation with the transportome of these ecologically important fungi. |