Development and study of tripartite systems involving legumes, rhizobia and pathogens

L'azote est un élément essentiel au développement des êtres vivants. Bien qu'il soit présent en grande quantité dans l'air, sous la forme de diazote, il n'est pas directement assimilable par la plupart des êtres vivants. Les légumineuses, par exemple, n'ont pas la capacité de l'assimiler sous cette forme. Cependant, dans un environnement carencé en azote, les plantes sont capables d'interagir avec des bactéries du sol, les rhizobia, qui sont des microorganismes fixateur d'azote atmosphérique grâce à un complexe enzymatique, la nitrogénase. En effet, ces bactéries vont réduire le diazote en ammonium, qui est assimilable par la plante. Les plantes hébergent ces bactéries dans des organes particuliers au niveau de leurs racines, les nodosités, où elles vont leurs fournir des nutriments. La plante tolère au sein de ses propres cellules une quantité importante d'organismes étrangers, environ un milliard par nodosité. La colonisation bactérienne massive des nodosités est permise grâce à la suppression des réponses immunes de la plante. Les racines sont en contact avec l'abondante flore microbienne du sol, ce qui soulève la question des conséquences liées à la potentielle vulnérabilité des organes symbiotiques ainsi que les plantes nodulées. L'objectif du projet de thèse était d'évaluer la vulnérabilité des organes symbiotiques. Pour cela, nous avons mis en place deux systèmes tripartites impliquant la légumineuse-modèle, Medicago truncatula, son symbionte, Sinorhizobium medicae et séparément deux microorganismes phytopathogènes, une bactérie Ralstonia solancearum et un champignon Sclerotinia sclerotiorum. Nous avons aussi caractérisé les réponses des nodosités face à ces deux pathogènes et cela en prenant les racines comme référence. Enfin, nous avons estimé l'influence de la nodulation et de la fixation d'azote sur la vulnérabilité des plantes face à l'agent pathogène bactérien. Les travaux effectués durant les trois ans de thèse indiquent que les nodosités sont des sites d'infection pour les agents pathogènes et qu'elles sont capables de répondre à la présence de pathogènes, néanmoins de manière différente et plus faiblement que les racines. Les résultats obtenus en utilisant l'un de nos systèmes tripartites suggèrent que la nodulation et la fixation d'azote peuvent conférer une plus grande sensibilité face aux agents pathogènes.Nitrogen is essential element for the development of all living beings. Although it is found in large quantity in the air, in the form of dinitrogen, it is not directly assimilable by most organisms. For example, plants are not able to assimilate this form. However, in a nitrogen deficient environment, legumes are able to interact with soil borne bacteria, rhizobia, which fix nitrogen thanks to an enzymatic complex, the nitrogenase. Indeed, bacteria reduce dinitrogen in ammonium; plants can assimilate this form. Plants host these bacteria in particular organs at the root level, the nodules, where they provide nutrients to bacteria. Plant tolerates in its own cells a tremendous quantity of foreign organisms, estimated to one billion of rhizobia per nodule. The massive bacterial colonization of nodules is allowed thanks to the repression of plant immunity. Roots are in contact with the abundant soil microbiota, which raises the question of the potential vulnerability of the symbiotic organs and nodulated plants. The phD project aimed to evaluate the nodules vulnerability. To achieve this, we set up two tripartite systems involving the model legume, Medicago truncatula, its symbiont, Sinorhizobium medicae and separately two phytopathogenic microorganisms, a bacterium, Ralstonia solancearum and the fungus, Sclerotinia sclerotiorum. We also characterized nodules responses to both pathogens using roots as reference. Finally, we estimated the influence of nodulation and nitrogen fixation on the plant vulnerability to pathogens. Work performed during these three years indicates that nodules are infection sites for pathogens. Those nodules are able to perceive the pathogen however, their response is different and less intense than that of roots. Results obtained with one of our tripartite system suggest that nodulation and nitrogen fixation give a greater sensitivity to pathogens

Développement et étude de systèmes d'interactions tripartites, légumineuses-rhizobia-pathogènes

L'azote est un élément essentiel au développement des êtres vivants. Bien qu'il soit présent en grande quantité dans l'air, sous la forme de diazote, il n'est pas directement assimilable par la plupart des êtres vivants. Les légumineuses, par exemple, n'ont pas la capacité de l'assimiler sous cette forme. Cependant, dans un environnement carencé en azote, les plantes sont capables d'interagir avec des bactéries du sol, les rhizobia, qui sont des microorganismes fixateur d'azote atmosphérique grâce à un complexe enzymatique, la nitrogénase. En effet, ces bactéries vont réduire le diazote en ammonium, qui est assimilable par la plante. Les plantes hébergent ces bactéries dans des organes particuliers au niveau de leurs racines, les nodosités, où elles vont leurs fournir des nutriments. La plante tolère au sein de ses propres cellules une quantité importante d'organismes étrangers, environ un milliard par nodosité. La colonisation bactérienne massive des nodosités est permise grâce à la suppression des réponses immunes de la plante. Les racines sont en contact avec l'abondante flore microbienne du sol, ce qui soulève la question des conséquences liées à la potentielle vulnérabilité des organes symbiotiques ainsi que les plantes nodulées. L'objectif du projet de thèse était d'évaluer la vulnérabilité des organes symbiotiques. Pour cela, nous avons mis en place deux systèmes tripartites impliquant la légumineuse-modèle, Medicago truncatula, son symbionte, Sinorhizobium medicae et séparément deux microorganismes phytopathogènes, une bactérie Ralstonia solancearum et un champignon Sclerotinia sclerotiorum. Nous avons aussi caractérisé les réponses des nodosités face à ces deux pathogènes et cela en prenant les racines comme référence. Enfin, nous avons estimé l'influence de la nodulation et de la fixation d'azote sur la vulnérabilité des plantes face à l'agent pathogène bactérien. Les travaux effectués durant les trois ans de thèse indiquent que les nodosités sont des sites d'infection pour les agents pathogènes et qu'elles sont capables de répondre à la présence de pathogènes, néanmoins de manière différente et plus faiblement que les racines. Les résultats obtenus en utilisant l'un de nos systèmes tripartites suggèrent que la nodulation et la fixation d'azote peuvent conférer une plus grande sensibilité face aux agents pathogènes.Nitrogen is essential element for the development of all living beings. Although it is found in large quantity in the air, in the form of dinitrogen, it is not directly assimilable by most organisms. For example, plants are not able to assimilate this form. However, in a nitrogen deficient environment, legumes are able to interact with soil borne bacteria, rhizobia, which fix nitrogen thanks to an enzymatic complex, the nitrogenase. Indeed, bacteria reduce dinitrogen in ammonium; plants can assimilate this form. Plants host these bacteria in particular organs at the root level, the nodules, where they provide nutrients to bacteria. Plant tolerates in its own cells a tremendous quantity of foreign organisms, estimated to one billion of rhizobia per nodule. The massive bacterial colonization of nodules is allowed thanks to the repression of plant immunity. Roots are in contact with the abundant soil microbiota, which raises the question of the potential vulnerability of the symbiotic organs and nodulated plants. The phD project aimed to evaluate the nodules vulnerability. To achieve this, we set up two tripartite systems involving the model legume, Medicago truncatula, its symbiont, Sinorhizobium medicae and separately two phytopathogenic microorganisms, a bacterium, Ralstonia solancearum and the fungus, Sclerotinia sclerotiorum. We also characterized nodules responses to both pathogens using roots as reference. Finally, we estimated the influence of nodulation and nitrogen fixation on the plant vulnerability to pathogens. Work performed during these three years indicates that nodules are infection sites for pathogens. Those nodules are able to perceive the pathogen however, their response is different and less intense than that of roots. Results obtained with one of our tripartite system suggest that nodulation and nitrogen fixation give a greater sensitivity to pathogens

Legumes tolerance to rhizobia is not always observed and not always deserved

International audienc

Medicago-Sinorhizobium-Ralstonia Co-infection Reveals Legume Nodules as Pathogen Confined Infection Sites Developing Weak Defenses

International audienceLegumes have the capacity to develop root nodules hosting nitrogen-fixing bacteria, called rhizobia. For the plant, the benefit of the symbiosis is important in nitrogen-deprived conditions, but it requires hosting and feeding massive numbers of rhizobia. Recent studies suggest that innate immunity is reduced or suppressed within nodules [1-10]; this likely maintains viable rhizobial populations. To evaluate the potential consequences and risks associated with an altered immuni'ty in the symbiotic organ, we developed a tripartite system with the model legume Medicago truncatula [11, 12], its nodulating symbiont of the genus Sinorhizobium (syn. Ensifer) [13, 14], and the pathogenic soil-borne bacterium Ralstonia solanacearum [15-18]. We show that nodules are frequent infection sites where pathogen multiplication is comparable to that in the root tips and independent of nodule ability to fix nitrogen. Transcriptomic analyses indicate that, despite the presence of the hosted rhizobia, nodules are able to develop weak defense reactions against pathogenic R. solanacearum. Nodule defense response displays specificity compared to that activated in roots. In agreement with nodule innate immunity, optimal R. solanacearum growth requires pathogen virulence factors. Finally, our data indicate that the high susceptibility of nodules is counterbalanced by the existence of a diffusion barrier preventing pathogen spreading from nodules to the rest of the plant

Responses of mature symbiotic nodules to the whole-plant systemic nitrogen signaling

International audienceIn symbiotic root nodules of legumes, terminally differentiated rhizobia fix atmospheric N 2 producing an NH 4 + influx that is assimilated by the plant. The plant, in return, provides photosynthates that fuel the symbiotic nitrogen acquisition. Mechanisms responsible for the adjustment of the symbiotic capacity to the plant N demand remain poorly understood. We have investigated the role of systemic signaling of whole-plant N demand on the mature N 2-fixing nodules of the model symbiotic association Medicago truncatula/Sinorhizobium using split-root systems. The whole-plant N-satiety signaling rapidly triggers reductions of both N 2 fixation and allocation of sugars to the nodule. These responses are associated with the induction of nodule senescence and the activation of plant defenses against microbes , as well as variations in sugars transport and nodule metabolism. The whole-plant N-deficit responses mirror these changes: a rapid increase of sucrose allocation in response to N-deficit is associated with a stimulation of nodule functioning and development resulting in nodule expansion in the long term. Physiological, transcriptomic, and metabolomic data together provide evidence for strong integration of symbiotic nodules into whole-plant nitrogen demand by systemic signaling and suggest roles for sugar allocation and hormones in the signaling mechanisms

Summary of sampling data and results for the six areas investigated.

<p>Summary of sampling data and results for the six areas investigated.</p

Localization of the 6 investigated environmental sites.

<p><b>A.</b> Mapping of the 6 environmental sites investigated in this study. The map legend shows the incidence rate of leptospirosis per municipality, calculated over the 2007–2013 period. <b>B.</b> Photography showing rivers associated with activities of daily living where patients reported to be contaminated. Red arrowhead shows collected samples positive for pathogenic <i>Leptospira</i> DNA.</p

qPCR and v-PCR results and <i>lfb-1</i> sequence analysis for the six investigated areas.

<p>qPCR and v-PCR results and <i>lfb-1</i> sequence analysis for the six investigated areas.</p

Phylogenetic analysis of leptospiral <i>lfb-1</i> gene sequences.

<p>Sequences from the 4 patients are shown in red while clones from environmental soils samples obtained during the retrospective study are shown in blue (first environmental sampling) or green (late environmental sampling). Note the presence of the <i>L</i>. <i>interrogans</i> Pyrogenes NC <i>lfb-1</i> sequence from the patient in all the corresponding investigated soils. <i>lfb-1</i> sequence from Site 2 soil 2 was identify as <i>L</i>. <i>interrogans</i> Australis and indeed cluster with <i>L</i>. <i>interrogans</i> Australis NC. Several sequences for Site 4 either cluster with <i>L</i>. <i>kmetyi</i> (Soil1) or form a new branch within pathogenic <i>Leptospira</i> species (Soil 4 sequence 1, 2 and 3). Phylogenetic tree was built using Phylo-win program with 500 bootstrap replicates applying Neighbour Joining method and Kimura’s 2-parameter distances.</p

Piroplasmose équine : portage et diversité génétique de Babesia caballi et Theileria equi

National audienceLa piroplasmose équine est une maladie due à la multiplication dans les hématies de l’un des deux Protozoaires parasites, Theileria equi et Babesia caballi. En France peu de données sont actuellement disponibles sur le taux de portage sain de ces parasites et sur leur diversité génétique. Dans le cadre du projet PiroGoTick, les quatre écoles nationales vétérinaires françaises ont proposé à des propriétaires de chevaux sans symptômes de piroplasmose de participer au projet en acceptant la réalisation d’une prise de sang.La détection moléculaire des deux parasites sanguins révèle que plus d’un tiers des équidés testés sont porteurs de T. equi, et moins de 5% sont porteurs de B. caballi. Un gradient croissant nord-sud de cette prévalence, de 15% à plus de 50%, est mis en évidence en analysant séparément les données des quatre écoles. Le génotypage par séquençage de l’ARNr 18S révèle très peu de diversité génétique avec majoritairement du génotype E pour T. equi et exclusivement du génotype A pour B. caballi.