Characterization of an alternative symbiotic process between legumes and Bradyrhizobium involving the Type 3 secretion system but not the Nod factor synthesis

Les Bradyrhizobium sont des bactéries du sol ayant la capacité d’établir une interaction symbiotique avec de nombreuses légumineuses. Cette symbiose conduit à la formation d’un nouvel organe, le nodule, au sein duquel la bactérie peut fixer le diazote atmosphérique au bénéfice de la plante. Cette interaction repose largement sur la reconnaissance par la plante de molécules signal,les facteurs Nods (FNs) produits par la bactérie qui contrôlent les processus d’infection et d’organogénèse nodulaire. Récemment, il a été démontré que certaines souches de Bradyrhizobiumnon-photosynthétiques, telles que les souches B. elkanii USDA61 et Bradyrhizobium sp. ORS3257,possèdent la capacité de noduler certaines légumineuses (Glycine max, Aeschynomene indica) enl'absence de facteurs Nods grâce à leur système de sécrétion de type III (T3SS). Cette découverte suggère que certains effecteurs secrétés par cette machinerie de sécrétion, initialement connus pour jouer un rôle dans la répression du système immunitaire de la plante hôte, peuvent directement activer la nodulation en court-circuitant les premières étapes de la voie de signalisation initiée parles FNS. Dans un premier temps, l’objectif principal de ce travail de thèse a consisté à avancer dans la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de cette nouvelle interaction FN-indépendante T3SSdépendanteen utilisant la souche ORS3257 en interaction avec la légumineuse tropicale A. indica. Il a été démontré que ce processus symbiotique repose sur un cocktail d'au moins 5 effecteurs quijouent un rôle distinct et complémentaire dans les processus d'infection, d'organogenèse desnodules et de répression de la réponse immune. Plus particulièrement, un nouvel effecteur nucléaire appelé ErnA pour « Effector required for nodulation-A » et largement distribué chez les Bradyrhizobium, a été identifié comme étant le principal inducteur de l’organogenèse nodulaire.Dans un second temps, nous avons mené une analyse génomique comparative sur 146 génomes deBradyrhizobium afin de mieux comprendre la distribution du T3SS et des principaux effecteurs identifiés à ce jours. Il a été mis notamment en évidence que le T3SS est très répandu dans le genreBradyrhizobium et qu’il partage une histoire évolutive commune avec les gènes de nodulation nod. L’ensemble de ce travail de thèse constitue une première étape dans la compréhension des mécanismes moléculaire recrutés pour la mise en place d’un nouveau processus de nodulation indépendante d’une signalisation FNs et suggère, par ailleurs, que le T3SS des Bradyrhizobium pourrait jouer un rôle symbiotique bien plus important qu’estimé jusqu’alors.Bradyrhizobia are soil bacteria able to establish a symbiotic interaction with a wide range oflegume species. This symbiosis leads to the formation of a new organ, the nodule, in which thebacteria can fix atmospheric dinitrogen for the plant’s benefit. This interaction largely depends onthe plant recognition of bacterial signal molecules, the Nod factors (NFs), that control the infectionand nodule organogenesis processes. Recently, it has been demonstrated that some nonphotosyntheticBradyrhizobium strains, such as B. elkanii USDA61 and Bradyrhizobium sp. ORS3257,are capable to nodulate some legumes (Glycine max, Aeschynomene indica) in the absence of NFsand that this capacity is due to their type III secretion system (T3SS). This discovery suggests thatsome effectors secreted by this secretory machinery, initially believed to solely play a role in thesuppression of plant immunity, can directly activate the nodulation by bypassing the early stages ofthe symbiotic signaling pathway activated by the NFs. The main objective of this thesis was toprogress in the understanding of the mechanisms involved in this novel NF-independent T3SSdependentinteraction using as model the interaction of the strain ORS3257 with the tropical legumeA. indica. It has been shown that this symbiotic process relies on a cocktail of at least 5 effectors thatplay distinct and synergistic roles in the processes of infection, nodule organogenesis andsuppression of the plant immune response. In particular, a novel nuclear effector, that we namedErnA for "Effector required for nodulation-A", is widely distributed in the Bradyrhizobium genus andwas identified as the main inducer of nodule organogenesis. In addition, we have conducted acomparative genomic analysis of 146 Bradyrhizobium genomes in order to better understand thedistribution of T3SS and the main effectors identified to date. This showed that the T3SS iswidespread in the Bradyrhizobium genus and shares a common evolutionary history with the nodgenes. This thesis work constitutes a first step in the understanding of the molecular mechanismsinvolved in this NF-independent T3SS-dependent nodulation and suggests that the T3SS ofbradyrhizobia could play a much larger symbiotic role than originally thought