Les légumineuses prospèrent dans des environnements pauvres en azote grâce à leur association avec les rhizobiums, des bactéries du sol qui convertissent l’azote atmosphérique en ammonium, une forme utilisable par les plantes. Ces bactéries bénéfiques sont hébergées dans des nodules racinaires formés sur les racines des légumineuses. Cependant, la formation incontrôlée de nombreux nodules racinaires peut entraver la fonction racinaire. Pour éviter cela, les légumineuses doivent réguler la distribution et le nombre de nodules racinaires, mais les mécanismes précis n’étaient pas encore clairs.
Des recherches récentes sur Lotus du Japonune légumineuse modèle, a révélé que l'interaction entre les racines des légumineuses et les rhizobiums est caractérisée par une expression génétique périodique avec un rythme de six heures. Cette expression génétique rythmique influence les régions de la racine susceptibles d'être infectées par les rhizobiums et la distribution des nodules. Il a également été découvert que l'hormone végétale cytokinine est essentielle au maintien de ce rythme d'expression génétique. Cette étude révolutionnaire, publiée dans Scienceest un effort collaboratif mené par l'Institut national de biologie fondamentale, l'Institut des sciences et technologies de Nara, l'Université d'Hokkaido, l'Université Kwansei Gakuin, RIKEN et l'Université d'éducation d'Aichi.
Lorsque les rhizobiums infectent les racines des légumineuses, les cellules épidermiques des racines forment des filaments d'infection, des structures tubulaires membraneuses qui guident les bactéries vers le tissu racinaire interne où elles peuvent fixer l'azote. L'infection rhizobium se produit principalement dans une région racinaire étroite située juste derrière l'extrémité de la racine, appelée région sensible. La génération continue de cellules à l'extrémité de la racine crée perpétuellement de nouvelles régions sensibles. Idéalement, les filaments d'infection devraient être répartis uniformément dans toute la racine. Cependant, un examen plus approfondi révèle un schéma de filaments d'infection densément formés alternant avec des régions plus clairsemées, suggérant des réponses intermittentes plutôt que continues aux rhizobiums. Des études détaillées sur la réponse dynamique des racines aux rhizobiums au fil du temps font défaut.
En utilisant l'imagerie en direct par luminescence avec la luciférase comme rapporteur, l'équipe de recherche a observé que NSP1 L'expression génique, rapidement induite en réponse aux rhizobiums et essentielle au processus d'infection, a montré des schémas oscillatoires à des intervalles d'environ six heures dans la région sensible. Au fur et à mesure que la racine poussait, de nouveaux sites d'expression apparaissaient au niveau apical des régions d'oscillation précédentes. « Nous avons remarqué que ces régions d'oscillation coïncidaient avec des zones où les filaments d'infection se formaient de manière dense, ce qui nous a amené à penser que cette expression génique rythmique pourrait être liée à la détermination des sites de formation des nodules », a déclaré le Dr Takashi Soyano, professeur associé de l'Institut national de biologie fondamentale, membre de l'équipe de recherche. Conformément à cette notion, une grande population de nodules racinaires s'est formée dans la région d'oscillation, suggérant un lien entre l'expression génique rythmique et la formation des nodules. D'autres gènes essentiels aux réponses précoces lors de la symbiose nodulaire ont également montré des schémas d'expression oscillatoire, marquant la première preuve d'une expression génique périodique en réponse aux rhizobiums.
La cytokinine, un régulateur clé de la symbiose nodulaire racinaire, maintient cette expression génique oscillatoire. Les gènes liés à la biosynthèse, au métabolisme et à la signalisation de la cytokinine ont montré une expression oscillatoire après l'inoculation rhizobienne. L'imagerie par luminescence utilisant le marqueur de réponse à la cytokinine TCSn a révélé des réponses oscillatoires à la cytokinine, correspondant au moment des fluctuations de la teneur en cytokinine active.
L'étude a utilisé des mutants d'un récepteur de cytokinine LHK1 pour explorer le rôle de la cytokinine dans la périodicité de l'expression des gènes. Chez les mutants dépourvus de LHK1 fonctionnel, des intervalles oscillants du récepteur périodique NSP1 l'expression a été prolongée, élargissant la région racinaire où NSP1 l'expression oscille. A l'inverse, chez les plantes transformées avec une forme activée de LHK1, l'induction de NSP1 expression a été supprimée, entraînant la perte de sa périodicité. NSP1 la région d'oscillation coïncidait avec la zone formant des fils d'infection denses. lhk1 Les mutants à perte de fonction présentaient des segments racinaires élargis formant des fils d'infection denses, tandis que le gène LHK1 actif réduisait la densité des fils d'infection. Ces résultats soulignent l'importance d'une réponse adéquate des cytokinines pour maintenir l'oscillation symbiotique et assurer une distribution appropriée des fils d'infection.
La symbiose nodulaire racinaire se produit dans le clade monophylétique fixateur d'azote, comprenant quatre ordres, Fabales, Rosales, Cucurbitales et Fagales, indiquant une acquisition évolutive partagée pour interagir avec les bactéries fixatrices d'azote. Parmi eux, la famille des légumineuses de l'ordre Fabales, où la plupart des espèces engagées dans la symbiose nodulaire racinaire, a incorporé de manière unique la voie de la cytokinine comme module régulateur important pour la symbiose.
La découverte de réponses périodiques aux cytokinines était inattendue, soulevant plusieurs questions, notamment les mécanismes moléculaires qui établissent cette périodicité et la manière dont ces réponses périodiques façonnent les régions d'infection.
Dr Takashi Soyano, professeur associé, Institut national de biologie fondamentale
La réponse à ces questions devrait permettre d’approfondir la compréhension des mécanismes de régulation de la symbiose des nodules racinaires et de faire progresser la recherche sur le contrôle spatial du développement des organes par des réponses périodiques médiées par les hormones végétales.