Rôle du cycle cellulaire bactérien dans la fixation symbiotique d’azote chez les Légumineuses – SymbiontCellCyc

Nous cherchons à comprendre et à exploiter le rôle crucial mais encore mal connu des régulateurs du cycle cellulaire de la bactérie symbiotique Sinorhizobium meliloti au cours de la symbiose fixatrice d’azote avec des plantes Légumineuses du genre Medicago. Les plantes légumineuses peuvent établir une relation symbiotique avec des bactéries fixatrices d’azote appelées rhizobia, formant des organes appelés nodosités. Au sein des nodosités, les bactéries sont hébergées et réduisent l’azote en ammonium qui est transféré à la plante. Les bactéries endosymbiotiques, appelées bactéroïdes, adaptent leur métabolisme à la vie intracellulaire et à la fixation symbiotique d’azote. Chez certaines légumineuses, les bactéroïdes subissent une différenciation cellulaire terminale (irréversible) impliquant un fort allongement cellulaire, avec une enveloppe cellulaire fragilisée et une polyploïdie du génome. Ce processus est restreint à certains clades de légumineuses et augmenterait l’efficacité symbiotique et le bénéfice pour la plante. L’augmentation du contenu en ADN des bactéroides implique, lors de leur formation, la modification du cycle cellulaire, qui est une alternance de phases de réplication du génome et de division cellulaire, vers une répétition des phases de réplication sans division cellulaire entre celles-ci. Le partenaire 2 (Mergaert) a montré que les cellules symbiotiques de M. truncatula produisent des centaines de peptides antimicrobiens appelés NCR (pour Nodule specific Cysteine Rich), qui induisent la différenciation terminale des bactéroïdes chez S. meliloti. De manière frappante, l’application du peptide NCR247 sur des bactéries en vie libre permet de reproduire ce processus de différenciation, suggérant que ce peptide cible la machinerie du cycle cellulaire bactérien. De plus, les cellules traitées par NCR247 présentent une forte répression de l’expression des gènes régulés par CtrA, le régulateur maitre du cycle cellulaire. Le partenaire 1 (Biondi) a montré que CtrA contrôle le cycle cellulaire de S. meliloti comme chez Caulobacter crescentus, le système modèle pour l’étude du cycle cellulaire chez les alphaprotéobactéries. Chez C. crescentus et S. meliloti, CtrA réprime la réplication du génome et promeut la division cellulaire, suggérant que le mécanisme de différenciation des bactéroïdes chez S. meliloti passerait par une inhibition de CtrA. En accord avec cette hypothèse, le partenaire 1 a montré que la protéine CtrA chute à des niveaux très bas dans les bactéroïdes et que la déplétion de CtrA dans des cultures de S. meliloti conduit à une phénocopie des bactéroïdes. Chez C. crescentus, CtrA présente une régulation négative complexe, vu qu’elle peut être réprimée par (i) une protéolyse sous le contrôle du cycle cellulaire, (ii) déphosphorylation et (iii) des cofacteurs post traductionnels. Chez S. meliloti, la protéolyse de CtrA joue un rôle crucial dans la progression du cycle cellulaire, suggérant que ce mécanisme puisse également être impliqué dans la différenciation des bactéroïdes. Néanmoins, le lien mécanistique entre les peptides NCR et la régulation du cycle cellulaire bactérien reste nébuleux et sera clarifié au cours de ce projet. Nous proposons une approche multi-échelles pour analyser systématiquement le rôle des facteurs du cycle cellulaire au cours de l’infection symbiotique. Nous utiliserons une combinaison de méthodologies issues de la génétique bactérienne et de la biologie cellulaire pour analyser des bactéries en cultures traitées ou non par des NCR ainsi que des bactéroïdes dans les nodosités. De plus, nous prédisons que la modulation du niveau de CtrA in planta pourrait mener à une augmentation de la différenciation des bactéroïdes chez Medicago voire à une élongation cellulaire dans des plantes ne produisant pas de NCR. Cela pourrait mener à une augmentation de l’efficacité de la fixation d’azote par ces bactéroïdes. Ces hypothèses seront également testées au cours du projet SymbiontCellCyc.