Production, perception et transport de phytohormones par les champignons mycorhiziens à arbuscules – Mycormones

Production de matériel fongique : des cultures de R. irregularis sur hairy roots ont été utilisées. Des spores pures, ainsi que des exsudats fongiques, ont été mis à disposition des partenaires.
Task 1 : Les phytohormones présentes dans des spores en germination ou dans leurs exsudats ont été analysées. Des analyses globales et ciblées ont été mises en oeuvre en utilisant la sensibilité et la spécificité de techniques de GC et LC-MS/MS.
Task 2 : Une méthode de suivi par analyse d’image de la croissance du mycélium extra-racinaire (ERM) du champignon a été mise au point, en utilisant un nouvel équipement d’imagerie. Cette méthode permet de mesurer la croissance des ERM en réponse aux hormones végétales.
Task 3. Des protéines recombinantes ont été produites pour certains des candidats récepteurs de strigolactones. Leurs propriétés de clivage et de liaison aux strigolactones ont été étudiées par LC-MS, Microscale Thermophoresis et Differential Scanning Fluorimetry.
Task 4. Pour étudier le transport de phytohormones par les champignons mycorhiziens, différents systèmes expérimentaux ont été mis en place.

Task 1. Analyse de la production de phytohormones par les champignons MA. Plusieurs phytohormones ont été identifiées : auxine, cytokinine, éthylène et gibbérelline. Dans le cas de l'éthylène le champignon réalise la biosynthèse, et des éléments ont été apportés quant à la voie de synthèse utilisée (Pons et al. 2020).
Task 2. Effet des phytohormones sur les champignons MA. Une stimulation de croissance des ERM en réponse à deux classes d’hormones végétales a été montrée, ainsi qu'un effet stimulant de certaines hormones sur la germination des spores.
Concernant les strigolactones, une analyse de relations structure/fonctions avec différents analogues a permis de préciser quelles parties de la molécule sont importantes pour sa bioactivité sur le champignon, mais aussi de mettre en évidence des réponses biologiques différentes à ces analogues (Taulera et al. 2020).
Task 3A. Les séquences codantes des candidats récepteurs de l'éthylène et des cytokinines ont été clonées en vue de leur caractérisation fonctionnelle.
Task 3B. Caractérisation de candidats récepteurs des strigolactones. Pour l'un des candidats, la capacité à cliver différents analogues de strigolactones, et à se lier à certains d'entre eux, a été démontrée.
Task 4. Etude du transport de phytohormones. Les premiers tests ont donné des résultats très encourageants, qui doivent être confirmés et approfondis.

Le travail sera poursuivi selon le plan annoncé dans le projet.

1. Kabbara et al. (2019) Diversity and evolution of sensor histidine kinases in eukaryotes. Genome Biology and Evolution. 11: 88-108
2. Papon & Binder (2019) An evolutionary perspective on ethylene sensing in microorganisms. Trends in Microbiology. 27: 1-4.
3. Taulera et al. (2020) Initiation of arbuscular mycorrhizal symbiosis involves a novel pathway independent from hyphal branching. Mycorrhiza 30:491-501. doi: 10.1007/s00572-020-00965-9
4. Pons et al. (2020) Phytohormone production by the arbuscular mycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis. PLoS One 15(10):e0240886. doi: 10.1371/journal.pone.0240886
5. Kabbara et al. (2020) Cytokinin Sensing in Bacteria. Biomolecules. 10: 186
6. Bidon et al. (2020) Cytokinin and ethylene cell signalling pathways from prokaryotes to eukaryotes. Cells. 9: 2526.

La plupart des plantes vivent en symbiose avec des champignons microscopiques du sol, les Gloméromycètes. Cette interaction très ancienne, la symbiose Mycorhizienne à Arbuscules (MA), existe dans des écosystèmes très variés et joue un rôle majeur dans la nutrition et la santé végétales, la structuration du sol et le cycle du carbone. Ces champignons constituent ainsi d'excellents biofertilisants, et une alternative possible à l'utilisation d'intrants chimiques. Ils se développent à la fois à l'intérieur des racines et dans le sol, où ils constituent une sorte d'extension du système racinaire. Ils forment dans les racines hôtes des structures spécialisées dans lesquelles le champignon fournit à la plante de l'eau et des minéraux, en échange de formes organiques de carbone. De plus, les champignons MA et leurs hôtes influencent réciproquement le développement de leur partenaire. Enfin, les champignons MA peuvent coloniser plusieurs plantes en même temps, formant un Réseau Mycorhizien Commun capable de transférer des informations entre plantes en cas d'attaque biotique.
La symbiose MA fait intervenir une communication sophistiquée entre les deux partenaires. L'objectif du projet est de mieux connaître le rôle des phytohormones dans cette communication. En effet, plusieurs arguments suggèrent que le champignon pourrait lui-même être la source et la cible d'une signalisation basée sur les phytohormones. Nous avons notamment identifié dans les génomes de champignons MA des gènes codant pour des récepteurs putatifs de l'éthylène et des cytokinines. Nous avons aussi détecté des phytohormones émises par des champignons MA isolés. Ce projet étudiera pour la première fois de façon globale la production, la perception et le transport de phytohormones par les champignons MA. Pour atteindre ces objectifs, le projet réunit deux partenaires académiques et un partenaire industriel spécialisé dans la production de biofertilisants.
Nous utiliserons la spectrométrie de masse pour détecter l'ensemble les phytohormones libérées par des champignons MA isolés. Pour cela de grandes quantités de matériel biologique MA seront fournies par le partenaire industriel. Pour les hormones détectées, nous déterminerons à l'aide de précurseurs marqués si les champignons ont biosynthétisé ces hormones, ou bien ont accumulé des hormones transmises par la plante hôte. Nous examinerons ensuite les effets biologiques de phytohormones exogènes sur le champignon, et tenterons d'élucider les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents. Les mécanismes de perception de l'éthylène, des cytokinines et des strigolactones seront caractérisés puisque nous avons identifié pour ces hormones des récepteurs putatifs. Enfin, nous étudierons le transport bidirectionnel d'hormones marquées entre plantes et champignons, et également entre plantes via le Réseau Mycélien Commun.
Nos résultats aideront à comprendre la régulation du développement végétal dans un contexte naturel, puisque la situation de la loin la plus courante des plantes est de vivre en symbiose avec les champignons MA. De plus, notre projet produira des connaissances fondamentales qui pourront un jour faciliter l'utilisation des champignons MA comme biofertilisants dans une optique d'agriculture durable.