The evolution of RNA interference system, blue light sensing mechanism and circadian clock in Rhizophagus irregularis give insight on Arbuscular mycorrhizal symbiosis

La symbiose mycorhizienne arbusculaire (MA) est une association formée par les racines des plantes et les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). Ces champignons sont les plus anciens symbiotes des plantes et ils sont apparus il y a au moins 460 millions d'années avec l'émergence et l'évolution des plantes terrestres. Les CMA sont également les partenaires symbiotiques des plantes les plus répandus dans les écosystèmes et ils peuvent s’associer avec plus de 80% des espèces de plantes vasculaires. Les CMA appartiennent à une lignée fongique primitive dont la position phylogénétique est encore en débat. Les CMA sont des microorganismes biotrophes obligatoires qui dépendent entièrement du carbone provenant de la photosynthèse des plantes hôtes, autrement dit, les CMA ne peuvent assimiler le carbone qu’on association avec les racines des plantes. En échange, les CMA aident les plantes à absorber divers nutriments essentiels du sol, tels que le phosphore. En effet, les CMA absorbent les nutriments et ils les transportent à travers leurs hyphes jusqu’aux cellules des racines dans lesquelles ils forment une structure appelée arbuscule. L'allocation des nutriments et les voies métaboliques interconnectées entre le champignon et l'hôte ont subi une pression sélective en tant que partenaires symbiotiques. En plus, les hyphes de des CMA agissent comme une niche écologique pour divers microbes du sol tels que les bactéries et les champignons, formant ainsi le pivot de la rhizosphère des racines. La symbiose MA est un élément essentiel pour comprendre la physiologie des plantes ainsi que l'écosystème. Malgré les rôles cruciaux des CMA dans les écosystèmes, leur génétique et leur évolution demeure méconnues. Le système d'interférence de l'ARN (ARNi), le mécanisme de détection de la lumière bleue et l'horloge circadienne sont des mécanismes importants qui sont impliqués dans la régulation de l’expression des gènes chez les champignons. Bien que son rôle reconnu dans la régulation des gènes et la traduction des protéines, en particulier dans la symbiose telle que celle des nématodes, le système ARNi n’a jamais été étudié chez les CMA. Pareil pour le cas du mécanisme de détection de la lumière bleue. Seules quelques études ont montré que la lumière bleue peut affecter la germination des spores et la croissance des hyphes des CMA, cependant son mécanisme n'a pas été décrit. Dans le cas de l’horloge circadienne, même si le rythme circadien est omniprésent chez les champignons et que le rythme diurne de la croissance des hyphes a été reporté dans les CMA dans une étude sur le terrain, le mécanisme demeure méconnu. Le génome et le transcriptome du CMA modèle Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198, étaient publiquement disponibles et ils ont été exploité dans mon projet. L'objectif de ma thèse de doctorat visait donc à étudier l'évolution du système ARNi, du mécanisme de détection de la lumière bleue et de l'horloge circadienne dans le génome de R. irregularis à l'aide d'approches biologiques et bioinformatiques. Les objectifs spécifiques étaient de: 1) déterminer si le système ARNi est conservé dans le génome de R. irregularis et d’analyser les traits évolutifs de ses protéines; 2) décrire le mécanisme de détection de la lumière bleue dans le génome R. irregularis ; 3) étudier le mécanisme circadien fongique dans le génome de R. irregularis. J'ai analysé les données génomiques et transcriptomiques pour rechercher les mécanismes conservés du système ARNi de R. irregularis et de certaines espèces de CMA qui lui sont apparentées. Deux phases du cycle de vie de R. irregularis (la phase de la germination des spores et la phase symbiotique avec des racines) ont été utilisées pour déterminer les profils d'expression des gènes en utilisant la PCR quantitative par transcriptase inverse (qPCR). J'ai identifié des traits évolutifs particuliers dans le système ARNi de R. irregularis, tels que le transfert de gènes horizontal (HGT) d’un gène important codant la protéine ribonucléase III, d’origine des cyanobactéries qui n’a jamais été observé chez aucun eucaryote. J'ai également trouvé et identifié un ancien mécanisme de détection de la lumière bleue corrélé à l'horloge circadienne. J’ai trouvé que le gène frequency est conservé dans le génome R. irregularis et que son expression est influencée par l’exposition à la lumière bleue. Ce qui est intéressant est que la protéine la plus importante de l’horloge circadienne (FRQ) n’a jamais été retrouvée dans d’autres lignées primitives fongiques, y compris chez Mucoromycotina, un sous-embranchement fongique considéré comme le plus proche des CMA. Les résultats de mon projet de doctorat a significativement contribuer à la progression de nos connaissances sur les mécanismes importants qui régulent l’expression des gènes chez les CMA qui sont des partenaires symbiotiques des racines des plantes et les plus anciens et les plus répandus dans les écosystèmes. Mes résultats apportent également de nouvelles informations sur le transfert des gènes entre les cyanobactéries et les CMA, et ils ont élargi les connaissances de l'évolution du gène frq chez les champignons. De plus, la présence de gène frq dans le génome de R. irregularis ouvre la voie à l’étude de la chronologique de la symbiose MA, qui peut être le modèle intéressant d’holobiontes des plantes.

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