La symbiose mycorhizienne à arbuscules (AM) est une association entre la plupart des embryophytes et des champignons ubiquitaires du sol qui appartiennent à la famille des Glomeromycotina. La symbiose mycorhizienne a été proposé comme l'une des innovations clés qui ont permis la colonisation de la terre par des plantes il y a 450 millions d'années. Les champignons mycorhiziens colonisent leur hôte de façon interne et produisent des structures intracellulaires, appelées arbuscules, où ils fournissent de l'eau et des nutriments minéraux à leur hôte en échange de carbone sous forme de sucres et de lipides. Chez les angiospermes, des études récentes ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de l’établissement de la symbiose mycorhizienne et des échanges trophiques. Les lipides ont été identifiés comme étant une des principales sources de carbone transférée au partenaire fongique qui est auxotrophe pour les lipides. Une voie de biosynthèse des lipides associée à la symbiose limité dans son expression dans les cellules colonisées par les champignons AM a été caractérisé chez des plantes modèles. Cependant, les études génétiques ont jusqu'à présent été limitées à quelques espèces d'angiospermes. Nous avons utilisé ici le modèle d’hépatique Marchantia paleacea, récemment mis au point, pour vérifier si les mécanismes permettant le transfert des lipides de la plante au champignon ont une origine profonde dans les plantes ou ont évolué plus récemment chez les Angiospermes.
Premièrement, nous avons observé une accumulation de lipides dans les cellules de M. paleacea contenant des arbuscules. Ensuite, une stratégie originale basée sur l'ingénierie enzymatique nous a permis de suivre des composés lipidiques spécifiques supposés être transférés au champignon. De cette manière, nous avons démontré la production de lipides et leur transfert de M. paleacea au champignon mycorhizien Rhizophagus irregularis. La conservation de ce transfert, qui avait été initialement démontrée dans les angiospermes, souligne son importance dans la symbiose mycorhizienne. Grâce au génome récemment séquencé de M. paleacea, nous avons identifié chez cet organisme les gènes connus chez les angiospermes comme étant impliqués dans la biosynthèse et le transfert de lipides symbiotiques. Je me suis concentré sur un gène essentiel codant pour la Glycerol-3 phosphate Acyl Transférase RAM2, dont on pense qu'elle agit en aval de cette voie. L'analyse du promoteur fusionné au gène rapporteur GUS de M. paleacea RAM2 a indiqué que son expression était induite dans des cellules contenant des arbuscule. Des essais de trans-complémentation menés chez le ram2 de Medicago truncatula en utilisant M. paleacea RAM2 nous ont permis de démontrer la conservation de la fonction biochimique de RAM2 chez des plantes terrestres. Pour les recherches futures sur le rôle biologique de M. paleacea RAM2, j'ai développé une approche CRISPR / Cas9 et obtenu des lignes éditées de l'un des trois paralogues de M. paleacea RAM2. Pour conclure, nos résultats suggèrent que la voie lipidique symbiotique est apparu chez les premières plantes terrestres et qu’elle a été conservée depuis pour les 450 MA de l’évolution des plantes terrestres. Nous proposons que cela ait été une innovation essentielle dans l'évolution des plantes terrestres. |
The Arbuscular Mycorrhiza (AM) symbiosis is an association between most embryophytes and ubiquitous soil-born fungi that belong to the Glomeromycotina. It has been proposed as one of the key innovation that allowed the colonization of land by plants 450 million years ago. AM fungi colonize internally their host and produce intracellular structures, called arbuscules, where they provide water and mineral nutrients to their host in exchange for carbon delivered as sugars and lipids. In angiosperms, recent studies have provided a deeper understanding of the molecular mechanisms behind AM establishment and trophic exchanges. Lipids have been identified as the main carbon source transferred to the fungal partner which is lipid auxotroph. The associated symbiotic lipid-biosynthesis pathway expressed in cells colonized by AM fungi have been deciphered in model plants. However, genetic studies have so far been limited to a few angiosperm species. Here, we used the model liverwort Marchantia paleacea, recently developed, to test whether the mechanisms that allow the transfer of lipids from the plant to the fungus have a deep origin in plants or evolved more recently in Angiosperms.
First, we observed lipid accumulation in the arbuscule-containing cells of M. paleacea. Then, an original strategy based on enzymatic engineering allowed us to follow the fate of specific lipid compounds believed to be transferred to the fungus. By this way, we demonstrated the production of lipids and their transfer from M. paleacea to the AM fungus Rhizophagus irregularis. The conservation of this transfer, that had been originally demonstrated in angiosperms, outlines its importance in the AM symbiosis. Thanks to the recently sequenced genome of M. paleacea, we identified in this organism the genes known in angiosperms as being involved in the symbiotic lipid biosynthesis and transfer pathway. I focused on one essential gene encoding for the Glycerol-3 Phosphate Acyl Transferase RAM2 which is thought to act downstream of this pathway. Promoter GUS analysis of M. paleacea RAM2, indicated that its expression was induced in arbuscule-containing cells. Trans-complementation assays conducted in Medicago truncatula ram2 using M. paleacea RAM2 allowed us to demonstrate the conservation of the RAM2 biochemical function across land plants. For future investigation of M. paleacea RAM2 biological role, I developed a CRISPR/Cas9 approach and obtained edited lines of one of the three M. paleacea RAM2 paralogs. Overall, our results suggest that the symbiotic lipid pathway originated in the first land plants and has been conserved since, for the 450 MY of land plants evolution. We propose that it has been a critical innovation in the evolution of land plants. |