Exploration des mécanismes de résistance systémique induite par desbactéries bénéfiques chez Arabidopsis contre Botrytis cinerea etPseudomonas syringae DC3000

Exploring mechanisms of induced systemic resistance by beneficialbacteria in Arabidopsis against Botrytis cinerea and Pseudomonassyringae DC3000

• Auteur / Autrice : Ngoc Huu Nguyen
• Direction : Aziz Aziz, Fabienne Baillieul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et biologie des organismes - populations - interactions
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Résistance Induite et Bioprotection des Plantes sites (Reims, Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aziz Aziz, Fabienne Baillieul, Michèle Boitel-Conti, Marc Ongena, Patricia Trotel-Aziz, Anissa Lounès-Hadj Sahraoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michèle Boitel-Conti, Marc Ongena

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Moyens de défense

Résistance aux bactériophages

Arabidopsis

Régulation (biologie)

Mots clés libres

Bactéries bénéfiques

Biocontrôle

Potentialisation

Résistance induite

Pathogènes

Camalexine

Priming

Camalexin

Biocontrol

Pathogens

Beneficial bacteria

Induced resistance

Résumé

La colonisation des racines des plantes par des microorganismes bénéfiques peut conférer une santé végétale et réduire l'incidence des maladies grâce à l'activation du système immunitaire des plantes, appelé résistance systémique induite (ISR). Pseudomonas fluorescens et Bacillus subtilis sont parmi les bactéries bénéfiques (BB) les plus connues induisant l’ISR chez diverses espèces végétales contre un large spectre d'agents pathogènes. Cependant, les informations sur leur efficacité contre les agents pathogènes ayant différentes stratégies d’infection, les mécanismes sous-jacent à la résistance induite et leurs effets non ciblés sur la croissance et le métabolisme de la plante restent rares. Dans cette étude, nous avons examiné la capacité de deux souches différentes de bactéries bénéfiques P. fluorescens PTA-CT2 et B. subtilis PTA-271 à déclencher l’ISR contre Botrytis cinerea et Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 chez Arabidopsis. Nous avons ensuite décrypté les différences et les similitudes dans le contexte de l'efficacité des BB dans l'expression de gènes de défense, la production de phytohormones et l'accumulation de camalexine après infection pathogène. Nos résultats ont démontré que PTA-CT2 et PTA-271 sont efficaces dans l’induction de l’ISR contre B. cinerea et Pst DC3000. Bien que les deux bactéries aient colonisé les racines au même niveau, la résistance la plus élevée a été observée chez les plantes traitées avec PTA-CT2. Les BB potentialisent des réponses immunes distinctes contre les agents pathogènes de modes de vie différents et ont un effet positif sur la croissance et la productivité des plantes. L’ISR repose sur la potentialisation d’une expression rapide et robuste des gènes marqueurs des voies de signalisation SA, JA et ET, ainsi que de l’accumulation de camalexine lors de l’infection par un pathogène. Ces réponses sont également associées à un niveau accru de SA et de JA dans les feuilles des plantes bactérisées après infection par l’agent pathogène. L’étude fonctionnelle a mis également en évidence une potentialisation de défenses dépendantes de JA/ET et NPR1 comme voies de signalisation prioritaires pour l’ISR contre B. cinerea. Cependant, l'ISR déclenchée par PTA-271 contre Pst DC3000 semble dépendre des voies de SA, JA/ET et NPR1, alors que PTA-CT2-ISR nécessite des voies de signalisation JA/ET et NPR1. Nos données ont également révélé que la plus grande accumulation de camalexine était associée à l’expression du gène CYP71A12 dans l’ISR induite par PTA-CT2 contre B. cinerea, tandis que PTA-CT2 était plus efficace contre Pst DC3000. L'utilisation du mutant pad3 suggère que l’ISR déclenchée par PTA-271 et PTA-CT2 partagent une synthèse de camalexine dépendante de PAD3 contre B. cinerea, mais pas contre Pst DC3000, et que la camalexine ne joue pas un rôle important dans l’ISR induite par PTA-CT2 contre Pst DC3000. Néanmoins, la potentialisation de l’accumulation de camalexine semble impliquer différents mécanismes de régulation en fonction de la souche bénéfique et du mode de vie de l’agent pathogène. Les fonctions de SA et NPR1 sont nécessaires pour la potentialisation de camalexine lors de l’ISR contre B. cinerea et Pst DC3000, et que la camalexine potentialisée par PTA-CT2 implique la voie supplémentaire de JA après infection par B. cinerea. Les résultats soulignent également l’importance de la voie de SA dans la potentialisation de camalexine par PTA-271, différente ainsi des voies requises pour la réponse camalexine à PTA-CT2. Des expériences supplémentaires ont également mis en évidence un rôle régulateur positif de l'ABA dans les ISR contre Pst DC3000, alors que l'application exogène de l'ABA n'a pas d'effet significatif. L'utilisation de mutants insensibles à l'ABA a mis en évidence l'importance de la signalisation de l'ABA dans l’ISR induite par PTA-CT2 et par PTA-271 contre la bactérie hémibiotrophique Pst DC3000, mais pas contre le champignon nécrotrophe B. cinerea.

Colonization of plant roots by beneficial microorganisms can confer plant health and reduce disease incidence through the activation of a plant immune system, termed induced systemic resistance (ISR). Pseudomonas fluorescens and Bacillus subtilis are among the most known beneficial bacteria (BB) inducing ISR in various plant species against a broad spectrum of pathogens. However, information about their effectiveness against pathogens with different infection strategies, mechanisms underlying induced resistance, and their non-target effects on plant growth and metabolism remains scarce. In this study, we firstly investigated the capacity of two different strains of beneficial bacteria P. fluorescens PTA-CT2 and B. subtilis PTA-271 to trigger ISR against the necrotrophic fungus Botrytis cinerea and the hemibiotrophic bacterium Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 in Arabidopsis thaliana. We then deciphered differences and similarities in the context of the effectiveness of BB in priming expression of defense-related genes, production of phytohormones and accumulation of camalexin as primary phytoalexin after pathogen infection. Our data provided evidence that both P. fluorescens and B. subtilis are efficient in inducing ISR against B. cinerea and Pst DC3000. Although both bacteria colonized the roots to the same extent, the higher resistance was observed in PTA-CT2-treated plants. We also showed that BB prime distinct immune responses against pathogens with different lifestyles, and have a positive effect in promoting plant growth and productivity. The ISR relies on priming faster and robust expression of genes markers of SA, JA and ET signaling pathways, and accumulation of camalexin upon pathogen challenge. These responses are also associated with enhanced level of SA and JA in the leaves of bacterized plants after pathogen infection. Functional study also points at priming of the JA/ET- and NPR1-dependent defenses as prioritized signaling pathways in ISR against B. cinerea. However, B. subtilis-triggered ISR against Pst DC3000 seems to be dependent on SA, JA/ET and NPR1 pathways, whereas P. fluorescens-ISR requires JA/ET and NPR1 signaling pathways. Although both beneficial bacteria colonize roots, but not shoots, to the same extent, P. fluorescens was more efficient in inducing ISR and priming defense responses than B. subtilis PTA-271. The same efficiency was also observed in promoting plant growth. Our data also revealed that the highest camalexin accumulation was associated to CYP71A12 gene expression in P. fluorescens-ISR against B. cinerea, while B. subtilis was more efficient against Pst DC3000. The use of pad3 mutant suggests that B. subtilis and P. fluorescens-ISR share PAD3-dependent camalexin synthesis against B. cinerea, but not against Pst DC3000, and that camalexin does not play a prominent role in P. fluorescens-ISR against Pst DC3000. Nevertheless, the primed camalexin accumulation seems to involve different regulatory mechanisms depending on the beneficial strain and pathogen lifestyle. Experiments with transgenic or mutant lines indicate that functional SA and NPR1 pathways are required for the primed camalexin in ISR against B. cinerea and Pst DC3000, and that the P. fluorescens-primed camalexin involves additional JA pathway after B. cinerea infection. Data highlighted the importance of SA signaling pathway in priming camalexin by B. subtilis, thus differing from the pathways required for camalexin response in P. fluorescens-ISR. Additional experiments also pointed to a positive regulatory role to ABA in ISR against Pst DC3000, while exogenous application of ABA has no significant effect. The use of ABA-insensitive mutants highlighted the importance of ABA signaling in both P. fluorescens- and B. subtilis-induced ISR against the hemibiotrophic bacterium Pst DC3000, but not against the necrotrophic fungus B. cinerea.