Role of bacterial catalases and H2O2 in the establishment and maintenance of symbiosis between Sinorhizobium meliloti and Medicago

Description

Sinorhizobium meliloti is a soil bacterium capable of inducing the formation of root nodules in plants of the Fabaceae family, within which the bacteria differentiate into bacteroids capable of fixing atmospheric nitrogen. During the establishment of the symbiosis, reactive oxygen species, such as hydrogen peroxide (H₂O₂) and the superoxide radical, have been detected in infection threads (Santos et al., 2001). To counteract the excessive accumulation of H₂O₂, S. meliloti possesses three catalases encoded by the katA, katB, and katC genes (Hérouart et al., 1996; Sigaud et al., 1999).The expression of the kat genes was characterized in free-living bacteria and under symbiotic conditions by constructing kat::lacZ fusions. Differential expression of these genes was observed during nodule development. For instance, katA is strongly expressed in the bacteroid, while katB and katC are expressed in infection threads. Phenotypic analysis of the single catalase mutants shows that their symbiotic capacities are not affected. However, these capacities are greatly reduced in the double mutant katB- katC-. This result highlights the essential role of catalases during the infection process.Under free-living conditions, only katA is inducible by H₂O₂. Genome analysis of S. meliloti revealed an open reading frame located upstream of the katA gene, which shows strong homology with the OxyR regulator. Characterization of an oxyR- mutant demonstrated that this transcriptional regulator, activated by H₂O₂, is responsible for inducing katA expression not only in free-living bacteria but also in bacteroids.To determine whether H₂O₂ present in infection threads could have a positive effect during the establishment of symbiosis, the phenotype of a bacterium overexpressing the gene encoding the catalase KatB was studied. The infection threads formed by this mutant strain no longer contained H₂O₂, and their diameters were greatly increased. This suggests that H₂O₂, which may play a role in establishing cross-links within infection threads, is involved in its orderly progression.

Abstract (French)

Sinorhizobium meliloti est une bactérie du sol capable d'induire, chez des plantes de la famille des Fabaceae, la formation de nodosités racinaires au sein desquelles les bactéries se différencient en bactéroïdes capables de fixer l'azote atmosphérique. Lors de l'établissement de la symbiose, des espèces réactives de l'oxygène, comme le peroxyde d'hydrogène (H2O2) et le radical superoxyde, ont été détectées dans les cordons d'infections (Santos et al., 2001). Pour lutter contre une accumulation excessive d'H2O2, S. meliloti possède trois catalases codées par les gènes katA, katB et katC (Hérouart et al., 1996 ; Sigaud et al., 1999).L'expression des gènes kat a été caractérisée chez la bactérie libre et en condition symbiotique grâce à la construction de fusions kat::lacZ. Une expression différentielle de ces gènes a été observée au cours du développement de la nodosité. Ainsi, katA s'exprime fortement chez le bactéroïde alors que katB et katC s'expriment dans les cordons d'infection. L'analyse phénotypique des simples mutants catalases montre qu'ils ne sont pas affectés dans leurs capacités symbiotiques. Par contre, celles-ci diminuent fortement chez le double mutant katB-katC-. Ce résultat souligne le rôle essentiel des catalases lors du processus infectieux.En condition libre de croissance, seul katA est inductible par l'H2O2. L'analyse du génome de S. meliloti a révélé un cadre ouvert de lecture localisé en amont du gène katA et qui présente de fortes homologies avec le régulateur OxyR. La caractérisation d'un mutant oxyR- a permis de démontrer que ce régulateur transcriptionel, activable par l'H2O2, se révèle être responsable de l'induction de l'expression de katA non seulement chez la bactérie libre mais aussi chez le bactéroïde.Afin de déterminer si l'H2O2 présent dans les cordons d'infection pourrait avoir un effet positif lors de l'établissement de la symbiose, le phénotype d'une bactérie surexprimant le gène codant la catalase KatB, a été étudié. Les cordons d'infections formés par cette souche mutante ne contiennent plus d'H2O2 et leurs diamètres sont largement augmentés. Cela suggère que l'H2O2, qui aurait un rôle dans la formation de liaisons au sein des cordons d'infection, participerait à sa progression de façon ordonnée.

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