Molecular dialogue during the establishment of the rhizobial symbiosis˸ Analysis of the involvement of ion channels participating to electrical and calcic signals in the root hair of Medicago truncatula
Dialogue moléculaire dans l'établissement de la symbiose rhizobienne ˸ recherche de canaux ioniques participant aux signaux électriques et calciques dans le poil absorbant de Medicago truncatula
Résumé
The first events detectable after Nod factor perception by legume root hairs include electric and calcium signals: the hair membrane undergoes a rapid electrical depolarization, caused by an influx of Ca2+, an inhibition of H+‑ATPases and an efflux of anions, followed by a repolarization due to an efflux of K+. Transduction of the Nod signal then involves oscillations of the perinuclear calcium concentration, which initiates the reprogramming of gene expression involved in development of symbiotic nodules. The general objective of my work is to contribute to the understanding of these processes by identifying membrane transport systems responsible for the underlying ion fluxes, in the model symbiotic couple Medicago truncatula-Sinorhizobium meliloti. I am interested in K+ and/or Na+ channels or transporters that could be involved in cell membrane repolarization or allow Ca2+ influx into the cytosol from the outer solution or internal stocks. Targeted transport systems belong to the family of potassium channels named Shaker, to the family of K+ and /or Na+ transporters named HKT, or to the family of channels named CNGC, which may constitute permeable conductances to Ca2+. The implemented approach associates analyses of the root hair transcriptome to identify candidate genes, electrophysiological approaches in heterologous system (Xenopus oocyte) or in planta (membrane potential recordings), plant transformation and gene expression studies (Q-RT-PCR, GUS reporter genes), obtaining and phenotyping mutant plants (from the Noble Foundation) in terms of plant growth, production of infection threads, production of nodules and symbiotic efficiency). I have demonstrated that the outwardly rectifying Shaker potassium channel, MtSKOR, plays an important role in membrane repolarization during the initial electrical signaling process. Its inactivation can affect plant growth, nodulation capacity, and symbiotic efficiency, possibly in a manner dependent on environmental conditions, but not the root ability to form infection threads. I have been involved (through electrophysiological analyzes in oocytes) in a research project that has identified 3 Ca2+ permeable channels, present on the nuclear membrane and playing a major role in the formation of perinuclear calcium oscillations and the establishment of the symbiotic interaction (Charpentier et al., 2016). I identified a channel, named CNGC1b, that is suggested by, a first series of experiments to play a role in plant nodulation capacity. Finally, I functionally characterized (by expression in oocytes) M. truncatula HKT transporters, which are shown to be permeable to Na+.
Les premiers évènements détectables après la perception des facteurs Nods par le poil absorbant incluent un signal électrique et calcique : la membrane du poil connaît une dépolarisation électrique rapide, provoquée par un influx de Ca2+, une inhibition des H+‑ATPases et un efflux d'anions, puis une repolarisation due à un efflux de K+. La transduction du signal intègre ensuite des oscillations de la concentration calcique périnucléaire, qui initie une reprogrammation de l'expression génique impliquée dans le développement du nodule symbiotique. L'objectif général de mon travail est de contribuer à la compréhension de ces processus en identifiant des systèmes de transport membranaire responsables des flux ioniques sous-jacents, chez le couple modèle Medicago truncatula-Sinorhizobium meliloti. Je me suis intéressé à des canaux ou transporteurs de K+ et/ou Na+ susceptibles de participer à un processus de repolarisation de la membrane cellulaire, ou de permettre un influx de Ca2+ à partir de la solution extérieure ou de stocks internes. Les systèmes de transport ciblés appartiennent à la famille de canaux potassiques appelée Shaker, à la famille de transporteurs de K+ et/ou Na+ appelée HKT, et à la famille de canaux appelés CNGC, susceptibles de constituer des conductances perméables à Ca2+. La démarche mise en œuvre associe une analyse du transcriptome du poil absorbant pour identifier des gènes candidats, des approches électrophysiologiques en système hétérologue (ovocyte de Xénope) ou in planta (enregistrement du potentiel membranaire), des techniques de transgenèse et d'analyse d'expression de gènes (Q-RT-PCR, gènes rapporteur GUS), l'obtention de plantes mutantes (provenant de la Noble Foundation) et le phénotypage de ces plantes en termes de croissance, formation de cordons d'infection, production de nodules et efficacité symbiotique). J'ai démontré que le canal potassique Shaker rectifiant sortant, MtSKOR, joue un rôle important dans la repolarisation membranaire lors du processus de signalisation électrique initial. Son inactivation peut affecter la croissance, la capacité de nodulation et l'efficacité symbiotique, probablement de façon dépendante des conditions environnementales, mais pas la capacité de formation de cordons d'infection. J'ai participé (par la mise en œuvre d'analyses électrophysiologiques) à identifier 3 canaux perméables à Ca2+, présents sur la membrane nucléaire et jouant un rôle majeur dans la formation des oscillations calciques périnucléaires et l'établissement de la relation symbiotique (Charpentier et al., 2016). J'ai identifié un canal, appelé CNGC1b, identifié dans une première série d'expériences comme susceptible de jouer un rôle dans la capacité de nodulation de la plante. Enfin, j'ai caractérisé sur le plan fonctionnel (par expression dans l'ovocyte) les transporteurs HKT de M. truncatula, qui se sont révélés perméables à Na+.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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