PROPOSITION DE SUJET DE STAGE M2 – 2016

PROPOSITION DE SUJET DE STAGE M2 – 2016/2017
Intitulé
Evolution de la spécificité symbiotique fixatrice d'azote chez les lupins (Fabacées): Analyse de
l'expression de gènes candidats.
Équipe d'accueil
UMR 6553 ECOBIO, Université de Rennes 1/CNRS
Équipe Mécanismes à l’Origine de la Biodiversité (MOB)
Encadrants
Cabello-Hurtado, Francisco (MCF-HDR) : [email protected]
Aïnouche, Abdelkader (MCF) : [email protected]
Contexte Scientifique
La nutrition azotée est un facteur essentiel de la croissance et du développement des plantes. Les
légumineuses (Fabaceae) représentent la plus importante famille de plantes capables d’établir une
symbiose mutualiste avec des bactéries fixatrices d’azote appartenant au groupe des rhizobia. Ce
type de symbiose est un processus clef du bon fonctionnement des écosystèmes naturels et
agricoles.
L’établissement de cette association plante/bactérie est contrôlée par une cascade génétique
complexe dont certains gènes et leurs interactions sont encore peu ou pas connus. C’est notamment
le cas des gènes responsables de la spécificité symbiotique, c’est-à-dire de la reconnaissance du
partenaire symbiotique. En effet, certaines espèces de légumineuses peuvent établir une symbiose
avec différentes bactéries, alors que d’autres espèces du même genre sont restreintes à une seule et
unique espèce bactérienne.
L’identification précise des gènes et mécanismes responsables de cette spécificité symbiotique
devrait permettre une meilleure compréhension de ces processus et de leurs implications
écologiques et agronomiques.
Objectifs
L’objectif au sein de l’équipe d’accueil est d’identifier les gènes impliqués dans ce type de relation
spécifique. Pour cela, nous étudions un nouveau genre modèle au sein des légumineuses : les lupins
(Lupinus ; Génistoidées ; Légumineuses). Ces derniers sont nodulés par des bactéries du genre
Bradyrhizobium, se caractérisent par une nodulation atypique, et présentent plusieurs cas de
changement de spécificité symbiotique entre espèces proches, constituant ainsi un système original
pour aborder ces questions.
Dans ce cadre, une expérience d’inoculation croisée entre trois espèces de lupins et deux souches de
bactéries compatibles ou non a été menée dans le cadre d’un projet de doctorat en cours, et l’ARN
des nodules formés dans les différentes conditions a été séquencé (RNA-seq). Ces données ont servi
à la réalisation des transcriptomes des nodules de ces différentes espèces ainsi qu’à la détection des
gènes différentiellement exprimés en fonction de la bactérie présente, parmi lesquels différents
gènes symbiotiques.
Les objectifs de ce stage sont : (i) de confirmer les résultats obtenus par RNA-seq via qPCR, (ii)
d’étudier l’expression des gènes d’intérêts (ceux les plus susceptibles d’être impliqués dans les
changements de partenaire symbiotiques) à différents stades de la nodulation, et (iii) d’analyser le
polymorphisme des séquences et l’histoire évolutive de ces gènes chez les légumineuses (évolution
moléculaire ; phylogénie).
Techniques utilisées
 Quantification de l’expression des gènes par PCR en temps réel (qPCR) afin d’obtenir le profil
d’expression des gènes symbiotiques aux différents stades de symbiose et en fonction du
partenaire symbiotique, et ainsi déterminer les candidats potentiels, gènes et copies de gènes,
impliqués dans les changements de partenaires symbiotiques chez les lupins ; et mieux orienter
les travaux ultérieurs.
 Méthodes bioinformatiques pour la manipulation et le traitement des séquences d’ADN et de
leurs protéines prédites pour évaluer l’évolution des gènes candidats au niveau moléculaire,
rechercher les signatures de sélection adaptative/neutre/, et finalement explorer l’évolution de
ces gènes par comparaison à leurs homologues des légumineuses modèles.
 Méthodes d’analyse phylogénétique en vue de retracer la dynamique évolutive des gènes
candidats (et de leurs copies orthologues versus paralogues) dans le contexte des légumineuses.
Ce stage permettra ainsi au/à la stagiaire d’intégrer une équipe transdisciplinaire dans un contexte
de partenariat international (France/Espagne) sur une thématique d’intérêt majeur pour la
productivité des écosystèmes naturels et des agroécosystèmes. Le/la stagiaire sera amené(e) à faire
l’apprentissage et pratiquer : (i) différentes techniques de laboratoire (extraction d’ARN, qPCR);
(ii) et différentes méthodes et outils bioinformatiques pour l’analyse moléculaire et évolutive des
séquences (nucléotidiques et protéiques), le traitement des données sur l’expression des gènes. Le/la
stagiaire aura à exploiter les ressources génomiques publiques disponibles pour les légumineuses
modèles afin d’analyser et interpréter ses résultats dans le contexte plus large de la famille des
légumineuse. Il travaillera en étroite collaboration et en complémentarité avec le doctorant en
charge du projet sur la spécifité symbiotique, et les résultats devraient pouvoir être valorisés dans
une publication.
Bibliographie
Quelques révisions sur le sujet :
[1] Oldroyd G.E.D. (2013) Speak, friend, and enter: signalling systems that promote beneficial
symbiotic associations in plants. Nature Reviews - Microbiology 11: 252-263. doi:
10.1038/nrmicro2990
[2] De Mita S., Streng A., Bisseling T., Geurts R. (2014) Evolution of a symbiotic receptor through
gene duplications in the legume-rhizobium mutualism. New Phytologist 201: 961-972. doi:
10.1111/nph.12549
Quelques publications pertinentes du laboratoire dans le domaine :
[1] Mahé F, Markova D, Pasquet R, Misset MT, Aïnouche A. (2011) Isolation, phylogeny and
evolution of the SymRK gene in the legume genus Lupinus L. Mol. Phylogenet. Evol. 60: 49–61.
doi: 10.1016/j.ympev.2011.04.017
[2] Mahé F, Pascual H, Coriton O, Huteau V, Navarro Perris A, Misset M-T, Aïnouche A (2011)
New data and phylogenetic placement of the enigmatic Old World lupin: Lupinus mariae-josephi
H. Pascual. Genetic Resources and Crop Evolution 58: 101-114. doi: 10.1007/s10722-010-9580-6
[3] Mahé F, Markova D, Lesniewska K, Ksiazkiewicz M, Nagowska B, Misset MT, Wolko B,
Ainouche A (2011) Comparative analysis of the Symbiotic-RK genomic region between Lupinus
and model legumes. In B. Naganowska, P. Kachlicki and B. Wolko editors; 13th Proceedings of the
International Lupin Conference: Lupin crops – an opportunity for today, a promise for the future,
Polish Academy of Sciences, Poznań (Poland), page 54-59.
[4] Martin GE, Rousseau-Gueutin M, Cordonnier S, Lima O, Michon-Coudouel S, Naquin D, de
Carvalho JF, Aïnouche M, Salmon A, Aïnouche A (2014) The first complete chloroplast genome of
the Genistoid legume Lupinus luteus: evidence for a novel major lineage-specific rearrangement
and new insights regarding plastome evolution in the legume family. Annals of Botany 113: 11971210. doi: 10.1093/aob/mcu050
[5] Cabello-Hurtado F, Keller J, Ley J., Sanchez-Lucas R, Jorrín-Novo JV, Aïnouche A (2016)
Proteomics for exploiting diversity of lupin seed storage proteins and their use as nutraceuticals for
health and welfare. Journal of Proteomics 143: 57-68. doi: 10.1016/j.jprot.2016.03.026