Evolution expérimentale de la bactérie phytopathogène Ralstonia solanacearum en symbiotes de légumineuse

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Il y a plus de 10 ans, l’équipe a lancé une expérience d’évolution, pionnière à l’échelle internationale, visant à reproduire l’évolution d’un nouveau genre de rhizobia en conditions de laboratoire, en se basant sur l’histoire évolutive naturelle de ces bactéries. Pour cela, nous avons introduit le plasmide symbiotique du rhizobium Cupriavidus taiwanensis dans une bactérie non rhizobium d’un genre voisin, Ralstonia solanacearum.

 

Le Ralstonia chimère obtenu a été évolué sous pression de sélection de la plante hôte de C. taiwanensis, Mimosa pudica, avec pour objectif d’activer et/ou améliorer successivement les différentes étapes symbiotiques que sont la nodulation, l’infection, la persistance des bactéries dans les cellules végétales et éventuellement la fixation mutualiste de l’azote. Cette expérience et son analyse ont déjà permis des avancées majeures dans la compréhension de l’évolution des rhizobia. L’équipe a en effet montré que : i) les deux premières étapes de la symbiose, la nodulation et l’infection intracellulaire, ont été rapidement acquises et optimisées, les clones isolés de la plupart des populations finales présentant des capacités d’infection proches de celles du rhizobium naturel C. taiwanensis après 17 cycles d’évolution (soit environ 400 générations) (Marchetti et al. 2017), ii) la transition pathogénie extracellulaire-symbiose intracellulaire a reposé sur des modifications du réseau de régulation de la bactérie receveuse (Marchetti et al. 2010, Guan et al. 2013, Capela et al. 2017, Tang et al. 2020), iii) le co-transfert des gènes symbiotiques avec des gènes de mutabilité présents sur le plasmide symbiotique accélère l’évolution des rhizobia au laboratoire et vraisemblablement également dans la nature (Remigi et al. 2014), iv) des cycles de nodulation supérieurs à 21 jours sont favorables à l’émergence de la fixation d’azote (Daubech et al. 2017) et enfin v) l’évolution naturelle et l’évolution expérimentale des symbiotes de Mimosa présentent des similitudes notables malgré les différences d’ancêtres, de temps d’évolution et de conditions (Clerissi et al. 2018).

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Cette expérience se poursuit dans l’équipe avec l’idée de continuer l’adaptation des bactéries à la symbiose potentiellement jusqu’à l’obtention du mutualisme. L’expérience est désormais analysée de façon plus dynamique et plus exhaustive en combinant des approches de séquençage des populations de bactéries, de génétique microbienne, de phénotypage et de modélisation. Ce projet a pour but d’identifier non seulement les bases génétiques de l’adaptation des bactéries à la symbiose et de la transition pathogénie-symbiose, mais aussi les forces de sélection qui ont dirigé l’évolution des symbiotes de légumineuses.

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Shaping new bacterial symbionts

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Analyse des réponses transcriptomiques végétales à l’adaptation des bactéries à l’endosymbiose

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L’objectif de ce projet est d’exploiter le matériel biologique unique généré par l’expérience d’évolution pour analyser les réponses végétales à l’évolution bactérienne. Une collection de mutants quasi-isogéniques de Ralstonia est construite au fur et à mesure que les mutations adaptatives responsables de l’acquisition de traits symbiotiques sont identifiées.

 

Les transcriptomes de Mimosa pudica obtenus avec les différents mutants de Ralstonia progressivement adaptés à la symbiose sont comparés aux transcriptomes de Mimosa obtenus avec le symbiote naturel C. taiwanensis.

 

Ce projet a pour but d’identifier les mécanismes moléculaires végétaux qui contrôlent ces différents processus (nodulation, infection, persistance et mutualisme), et potentiellement de prédire la séquence des évènements moléculaires végétaux ayant accompagné la genèse de la symbiose rhizobium-légumineuse.

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Collaborations

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Nos principaux collaborateurs sont P.M. Delaux (LRSV, Toulouse), J.B. Ferdy (EDB, Toulouse), C. Pouzet et A. Leru (Imaging platform Toulouse), E. Rocha (Pasteur Institute, Paris) et P. Oliveira (Genoscope).

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Financements en cours

ANR France 2030 OPTILEG (2024-2030), “Optimization of microbial interactions for sustainable production of legume proteins, beneficial for the environment and health”, Coord. M. Prudent (Agroécologie), 3 M€.
Partenaires: Agroécologie, ISA, LIPME, DGIMI, MICALIS,  BIA,  UNH,  SPO, MIAT, Terres Inovia, IPS2, I2BC, Agri Obtentions, Alliance-BFC, Lallemand SAS, Université Aix-Marseille, Limagrain Ingredients (Limagrain), ESA.

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TULIP Interface Horizon (2023-2025) “Functional integration of horizontally-transferred genes into bacterial genomes: nitrogen-fixing symbiosis in beta-rhizobia as a case study”, Coord. P. Remigi.
Partenaire : E. Rocha (Institut Pasteur).

 

ANR LIFEPATH (2023-2026) Deciphering the genetic and epigenetic mechanisms of bacterial adaptation to lifestyle changes along the pathogenicity-mutualism continuum. Coord. D. Capela, 544 k€.
Partenaires : A. Guidot (LIPME), P. Oliveira (Genoscope).

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TULIP New Frontiers EVOFIX (2023-2024) Engineering bacteria and plant to evolve nitrogen-fixing mutualistic interactions. Coord. D. Capela, 62 k€.

Partenaire : N. Peeters (TPMP).

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ANR JCJC SELECT (2022-2025) Plant-mediated selection of endosymbiotic bacteria. Coord. P. Remigi, 317 k€.

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BiodivOc ComplexAdapt (2022-2024) How does the complexity of environmental challenges affect the rate of adaptation? A meta-experimental evolution approach by the ExpEvolOcc network. Coord. L.M. Chevin (CEFE), 329 k€.