Characterization of Rhizophagus irregularis secreted proteins : screening of their effect on the establishment of endomycorrhizal symbiosis
Caractérisation de protéines sécrétées du champignon Rhizophagus irregularis : criblage de leur effet sur l’établissement de la symbiose endomycorhizienne
Résumé
Arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is a mutualistic association established between plant roots and soil fungi belonging to the phylum Glomeromycota. In this association, the fungus acts as a natural fertilizer, supplying the plant with various minerals (phosphorus, but also nitrogen and sulfur) in exchange to carbon sources essential for its development. An original feature of these fungi is their very broad host spectrum: c.a. 80% of plant species have the ability to form this symbiosis, and some species of AM fungi do not seem to have a restrictive host spectrum. Would MA fungi possess "universal keys" for cell compatibility with their host, or to by-pass plant immunity? To address this problem, we studied the secretome of the AM fungus Rhizophagus irregularis from which several genomic data were available. Eukaryotic microorganisms indeed secrete in their environment proteins acting on their exogenous structures (cell wall), on their environment (nutrient recruitment), and even on host plant cell immunity. These last secreted proteins (SPs) are defined as effectors. Based on two different assemblies, a repertoire of 872 SPs of R. irregularis was defined for which transcriptional expression profiles obtained in three hosts were compared, as well with SPs from another species of AM fungus, Gigaspora rosea. After adding sequences of small size identified from an in-house transcriptomic assembly, screening unambiguous open reading frame, and selecting strongly expressed candidates (FC> 10) in the 3 plant hosts analyzed, a set of 33 RiSPs of interest was defined, of which 18 were selected for functional analysis. As genetic transformation protocol is unavailable for AM fungi, RiSP:citrine fusion proteins were overexpressed in tobacco leaves and barrel medic roots for plant cell localization. Different cell compartments were targeted by these RiSPs, and often localised in the vacuolar compartment. In planta overexpression of several candidates allowed identifying 3 RiSPs that stimulate the establishment of the symbiosis. In the same time, attempts to enhance MA symbiosis by addition of exogenous RiSPs on seedlings during mycorrhizal establishment were initiated. Such assays should be pursued on the 3 active candidates revealed by overexpression assays. Evaluating the specificity of action of these RiSPs on AM symbiosis compared to other plant-fungus interactions will open the way to field trials.
La symbiose mycorhizienne à arbuscule (MA) est une association mutualiste s’établissant entre les racines des plantes et des champignons du sol appartenant à l’embranchement des Gloméromycètes. Dans cette association, le champignon agit comme un fertilisant naturel, fournissant à la plante divers minéraux (phosphore, mais aussi azote et soufre …) en échange de sources de carbone indispensables à son développement. Une caractéristique originale de ces champignons est leur très large spectre d’hôte : de l’ordre de 80% des espèces végétales ont l’aptitude à former cette symbiose, et certains espèces de champignons MA ne semblent pas avoir de limitation de spectre d’hôte. Les champignons MA possèderaient-ils des « clés universelles » de compatibilité cellulaire avec leur hôte, ou de contournement de l’immunité végétale ? Pour aborder cette problématique, nous avons entrepris l’étude du sécrétome du champignon MA Rhizophagus irregularis dont plusieurs données génomiques étaient disponibles. Les microorganismes eucaryotes sécrètent en effet dans leur environnement des protéines agissant sur leurs structures exogènes (paroi cellulaire), leur environnement, et pouvant agir sur l’immunité des cellules hôtes. Ces protéines sécrétées (SPs) sont dans ce dernier cas appelées « effecteurs ». Sur la base de deux assemblages différents, un catalogue de 872 SPs de R. irregularis (RiSPs) a été défini pour lesquelles les profils d’expression dans trois plantes hôtes ont été comparés. Nous avons également comparé ces SPs à celles que nous avons définies sur une autre espèce de champignon MA, Gigaspora rosea. Après enrichissement du catalogue de RiSPs avec des séquences de petite taille identifiées sur un assemblage transcriptomique propre, puis sélection des candidats dont les cadres de lecture sont robustes et présentant un niveau d’expression élevé (FC>10) dans les 3 hôtes testés, un jeu de 33 RiSPs d’intérêt a été défini, dont 18 ont été sélectionnées pour effectuer des analyses fonctionnelles. En absence de protocole de transformation de ces champignons, l’analyse fonctionnelle a porté sur la cytolocalisation de protéines de fusion RiSP:citrine dans les cellules végétales par surexpression dans des feuilles de tabac et des racines de luzerne tronquée. Différents compartiments cellulaires sont ciblés par ces RiSPs, très souvent le compartiment vacuolaire. Des approches par surexpression in planta de plusieurs candidats RiSP ont permis d’identifier une activité stimulatrice de 3 RiSPs sur l’établissement de la symbiose. Parallèlement, des essais de stimulation de la symbiose MA par apport exogène de différents SPs sur plantules en cours de mycorhization en chambre ont été initiés. Ils devront être poursuivis sur les 3 candidats issus du crible de surexpression. En perspective, l’évaluation de la spécificité d’action de ces SPs sur la symbiose MA comparativement à d’autres interactions plante-champignon ouvrira la voie à des essais d’application au champ.
Origine : Version validée par le jury (STAR)