Les oomycètes microorganismes pathogènes de plantes : une nouvelle source de protéines pour l'utilisation des polymères lignocellulosiques

Oomycete plant pathogens : a new source of proteins for lignocellulosic biomass utilization

• Auteur / Autrice : Thomas Martinez
• Direction : Elodie Gaulin, Claire Dumon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions plantes-microorganismes
• Date : Soutenance le 03/03/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phytophthora

Plantes -- Moyens de défense

Oomycètes

Mots clés libres

Oomycete

Cellulose

Phytophthora parasitica

Réponses de défense

CBEL

Glycoside hydrolase

CBM1

Xylanase

Résumé

Les oomycètes représentent un groupe de microorganismes eucaryotes filamenteux distincts phylogénétiquement des champignons incluant de nombreuses espèces phytopathogènes. CBEL est une glycoprotéine pariétale de Phytophthora parasitica constituée d'une répétition de deux régions séparées par un linker. Chaque région protéique est constituée d'un domaine protéique de liaison à la cellulose (CBM1) et un motif PAN /Apple impliqué dans des interactions protéines-protéines ou protéines-polysaccharides. Cette étude doctorale porte sur la caractérisation de la protéine CBEL et plus particulièrement de ses CBM1s ainsi que sur l'évaluation et optimisation du potentiel de cette protéine à : (i) stimuler les défenses naturelles des plantes (ii) augmenter l'activité de glycosides hydrolases. Dans la première partie de ce travail doctoral différents tests visant à reproduire un traitement éliciteur externe sur plante entière ont pour cela été développés. Ces tests ont permis de mettre en évidence que formulée en présence de surfactants CBEL est capable d'induire diverses réponses de défense chez A. thaliana. Une production en masse de cette protéine a été réalisée dans la levure Pichia pastoris et la bactérie Escherichia coli dans l'optique d'une future application agronomique. Les protéines recombinantes CBELcol et CBELpic produite dans ces différents systèmes d'expression présentent des profils de glycosylation différents de celui de la protéine native CBELnat. Alors que ces protéines semblent se lier de manière identique à la cellulose les différents tests d'élicitation développés au cours de ce travail mettent en évidence des variations dans leur activité élicitrice suggérant que la nature des résidus glucidiques présents sur cette glycoprotéine peut avoir un impact sur sa capacité induire des réponses de défenses en application externe. Lors de la deuxième partie de ce travail de thèse la capacité de CBEL à interagir avec différents substrats cellulosiques a été caractérisée. Les résultats obtenus ont permis de montrer que CBEL se lie avec une haute affinité à la cellulose cristalline avicel et que la présence de CBM1 fonctionnels est nécessaire à cette interaction. De manière intéressante, le CBM1-1 et CBM1-2 ne semblent pas contribuer de manière égale à cette interaction. Par ailleurs la laison de CBEL à la cellulose induit des perturbations structurales sur le substrat et permet d'améliorer l'activité de la xylanase XynB de Talaromyces versatilis sur paille de blé. En outre une xylanase chimère possédant dans sa séquence le CBM1-1 de CBEL possède également une activité augmentée sur paille blé. L'ensemble de ces résultats met en évidence le potentiel de CBEL et de son CBM1-1 pour l'amélioration de l'activité de glycoside hydrolases utilisables par exemple en bioraffinerie. En dernier lieu un travail de caractérisation structurale de la protéine CBEL a également été entamé au cours de cette étude. L'enveloppe de la protéine CBEL en solution à notamment été déterminée par SAXS (Small Angle X-ray Scattering) et un modèle 3D de cette protéine a été obtenu.

Oomycetes are fungal like microorganisms evolutionary distinct from true fungi that include pathogens of plants. CBEL is a cell wall glycoprotein isolated from the oomycete Phytophthora parasitica that is composed of two distinct regions linked by a threonine/proline rich linker. Each region owns a cellulose binding module (CBM1) and a PAN-Apple domain involved in protein-protein or proteins-polysaccharides interactions. Since CBEL is able to induce defense responses in numerous plant species, its use for the development of products able to protect crops has been envisaged. For this purpose we analysed the effect of an external CBEL treatment on plants. We found that in the presence of surfactants CBEL is able to induce cytosolic calcium changes, defense gene expression, and cell death on A. thaliana. CBEL application for crop protection requires the development of economically reliable production processes. In the case of proteinaceous elicitors, an attractive strategy to obtain large amount of elicitors is to express them in heterologous hosts such as bacteria or yeasts. CBELcol and CBELpic were produced respectively in E. coli and in P. pastoris. CBELcol is unglycosylated whereas CBELpic displays a glycosylation profile distinct from the native protein (CBELnat). We found that all these proteins are able to bind crystalline cellulose. On the other side we found that the elicitor activity of CBELpic is distinct from CBELnat and CBELcol suggesting that the glycosylation on CBEL can have an impact on its ability to induce plant defense responses after external treatment on A. thaliana. In the second part of this work the two CBMs (1-1 and 1-2) that form part of CBEL have been submitted to detailed characterization, first to better quantify their interaction with cellulose and second to determine whether these CBMs can be useful for biotechnological applications, such as biomass hydrolysis. A variety of biophysical techniques were used to study the interaction of the CBMs with various substrates and the data obtained clearly indicate that CBEL's CBM1-1 exhibits much greater cellulose binding ability than CBM1-2. Engineering of the family 11 xylanase from Talaromyces versatilis (TvXynB), an enzyme that naturally bears a family 1 CBM, has produced two variants. The first one lacks a CBM, whereas the second contains the CBEL CBM1-1 in the place of the natural CBM1. The study of these enzymes has revealed that wild type TvXynB binds to cellulose, probably via its CBM1, and that the substitution of its CBM by oomycetal CBM1-1 does not affect its activity on this substrate. Moreover, the presence of CBEL during the hydrolysis of wheat straw actually potentiates the action of TvXynB, a result that is consistent with the hypothesis that CBM1-1 can alter cellulose surface fibres rather like some other members of CBM family 1.