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SYMEVOL

FONCTIONS SYMBIOTIQUES, GENOMES ET EVOLUTION DES RHIZOBIA

Delphine Capela

Notre équipe s’intéresse aux mécanismes moléculaires et évolutifs impliqués dans l’établissement de la symbiose rhizobium-légumineuse, en étudiant principalement le partenaire bactérien.

Les rhizobia ne forment pas un groupe taxonomique homogène mais appartiennent à plus d’une dizaine de genres et des centaines d’espèces différentes parmi les α- et β-protéobactéries. Les données phylogénétiques, génétiques et génomiques prédisent que les rhizobia auraient évolué grâce au transfert latéral de fonctions symbiotiques clé dans diverses bactéries du sol, suivi de l’adaptation du génome d’accueil à la niche légumineuse par sélection naturelle. Les mécanismes d’adaptation post-transfert et les prédispositions génétiques requises, si elles existent, pour la conversion de ces bactéries du sol en symbiotes efficaces de légumineuses ne sont pas connus.

Nos travaux cherchent à comprendre l’émergence et l’évolution de ces interactions mutualistes en traitant deux questions :

i) comment la capacité symbiotique s’est disséminée à des genres de bactéries très différents

ii) quels événements moléculaires ont accompagné la genèse de cette symbiose côté plante ?

Pour cela, nous étudions le modèle Cupriavidus taiwanensis-Mimosa pudica, une symbiose qui aurait émergé relativement récemment (il y a environ 12 à 16 millions d’années) et représentative des symbioses du sous-clade des Mimosoideae. Nous utilisons des approches de génétique moléculaire, de génomique et d’évolution expérimentale.

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THÈMES DE RECHERCHE

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

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).

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.

Shaping new bacterial symbionts

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

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.

Collaborations

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 D. Roche (Genoscope-CEA, Evry).

Financements en cours

SPE INRAE EPIMODE (2021-2022) Impact des modifications épigénétiques dans l’adaptation bactérienne à un nouveau mode de vie. Partenaire : A. Guidot (LIPME), 15 k€.

FRAIB DYNAMIC (2021-2022) Evolutionary dynamics of bacterial adaptation to symbiosis with legumes. Partenaire: J.B. Ferdy (EDB, Toulouse), 15 k€.

ANR REPLAY (2017-2021) Replaying the evolution of rhizobia: towards a conceptual and practical framework for the design of new nitrogen-fixing plant symbionts. Partenaires: Genoscope (D. Roche), IP Paris (E. Rocha), 460 k€.

 

MEMBRES