Les rhizobia, symbiotes fixateurs d’azote de légumineuses, ont émergé et se sont diversifiés via le transfert horizontal de gènes symbiotiques essentiels, suivi d’une optimisation du potentiel symbiotique acquis par remodelage du génome d’accueil sous pression de sélection de la légumineuse. Une transition vers la symbiose avec les légumineuses a été analysée par évolution expérimentale en conditions de laboratoire. Le plasmide symbiotique de Cupriavidus taiwanensis a été introduit dans le pathogène de plante strictement extracellulaire Ralstonia solanacearum GMI1000, et la souche chimère résultante a été évoluée sous pression de sélection de Mimosa pudica (la plante hôte de C. taiwanensis). Dans la fenêtre de temps de l’expérience d’évolution, les étapes initiales de la symbiose, la nodulation et l’infection intracellulaire, ont été activées puis très fortement améliorées dans plusieurs lignées indépendantes de clones évolués. Nous avons montré que l’optimisation de l’infection a été obtenue par une variété de mutations affectant soit la réponse des bactéries à la densité cellulaire, soit la régulation de la réponse stringente, soit d’autres voies inconnues mais distinctes. Ces voies génétiques multiples utilisées pour améliorer l’infection illustrent la plasticité des génomes bactériens et reflètent vraisemblablement l’histoire évolutive naturelle des rhizobia, qui utilisent chacun des stratégies génétiques différentes pour établir la symbiose. De plus, nous avons montré que toutes les mutations adaptatives pour l’infection amélioraient aussi la compétitivité des bactéries pour la nodulation et qu’elles induisaient des changements d’expression de gènes bactériens spécifiquement dans les cordons d’infections épidermiques, au moment de leur entrée dans les poils absorbants racinaires. Ces résultats supportent l’idée d’une programmation végétale très précoce de l’hébergement tardif des bactéries dans les nodules. Ainsi, ce travail a révélé la puissance de notre approche d’évolution expérimentale pour délivrer un aperçu de certains mécanismes moléculaires et évolutifs qui sous-tendent les symbioses rhizobium-légumineuse. |
Rhizobia, the nitrogen-fixing symbionts of legumes, have emerged and diversified via the horizontal transfer of essential symbiotic genes in soil bacteria, followed by the optimization of the acquired symbiotic potential by genome remodeling under the plant selection pressure. Transition towards legume symbiosis was analyzed trough experimental evolution in laboratory conditions. The symbiotic plasmid of the rhizobium Cupriavidus taiwanensis was introduced into the strictly extracellular plant pathogen Ralstonia solanacearum GMI1000, and the resulting chimera was further evolved under Mimosa pudica (the C. taiwanensis host) selection pressure. Within the evolution experiment time frame, the initial steps of symbiosis, nodulation and intracellular infection, were activated and dramatically improved in several independent evolved lineages. We showed that the optimization of intracellular infection was gained through various mutations affecting either the responsiveness of bacteria to cell density or the regulation of the stringent response or other unknown but distinct pathways. These multiple genetic routes used to improve infection illustrate the plasticity of bacterial genomes and likely reflect the natural evolutionary history of rhizobia, each using different genetic strategies to establish symbiosis. Furthermore, we found that all infection-adaptive mutations also enhanced nodulation competitiveness of bacteria and specifically modify the expression of bacterial genes in epidermal infection threads during their uptake into root hairs. These results supported the idea of an early plant programming of late accommodation of rhizobia in nodules. Altogether this work revealed the power of our experimental evolution approach to yield insights into some molecular and evolutionary mechanisms underlying the rhizobium-legume symbioses. |