Les phytohormones, des régulateurs clefs du microbiote du peuplier ?

Phytohormones, key regulators of the poplar microbiome ?

• Auteur / Autrice : Félix Fracchia
• Direction : Claire Veneault-Fourrey, Aurélie Deveau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie et écologie des forêts et des agrosystèmes
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions Arbres Micro-organismes (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Judith Felten
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Veneault-Fourrey, Aurélie Deveau, Stéphane Compant, Marie Simonin, Cyril Bontemps
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Judith Felten, Stéphane Compant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie -- Réseaux d'interactions

Microflore

Plantes -- Hormones

Peupliers

Mots clés libres

Peuplier

Phytohormones

Rhizobiote

Phytohormones

Poplar

Rhizobiota

Résumé

Les écosystèmes forestiers sont des environnements dynamiques aussi bien à l'échelle macroscopique que microscopique. Les arbres abritent un vaste cortège de microorganismes, appelé microbiote, majoritairement constitué de bactéries et de champignons. Ces communautés microbiennes colonisent les différents tissus des arbres et participent à diverses interactions, aussi bien défavorables (e.g. pathogènes), que bénéfiques. En effet, certains microorganismes (e.g. Plant Growth Promoting Bacteria : PGPR ; champignons mycorhiziens), améliorent la croissance et le développement de leur hôte via le transfert de nutriments, principalement de l'azote (N) et du phosphore (P) en échange de sucres photo-assimilés. D'autre part, il confère une résistance à l'arbre face aux stress biotiques (e.g. attaque par des pathogène, herbivorie) et abiotiques (e.g. sécheresse, toxicité des sols). L'assemblage de ce microbiote est un processus dynamique dans le temps et dans l'espace. Chaque organe de l'hôte constitue un micro-habitat particulier où s'établissent des communautés microbiennes spécifiques, aussi bien à la surface (épiphytique) qu'à l'intérieur des différents compartiments (endophytique). D'autre part, l'établissement du microbiote conduit à une succession de microorganismes qui remplacent les communautés déjà présentes au cours du temps. Il existe différents paramètres, biotiques (e.g. rhizodéposition, immunité et génotype de l'hôte) et abiotiques (e.g. type de sol, climat, saisons), qui régulent l'assemblage des communautés microbiennes. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence des phytohormones dans l'assemblage du microbiote du peuplier. Nous avons déterminé dans un premier temps, la dynamique de colonisation microbienne du système racinaire de plantules de peupliers de 2 à 50 jours. En utilisant deux méthodes complémentaires, le séquençage de marqueurs taxonomiques bactériens (16S) et fongiques (ITS, 18S), et l'observation des systèmes racinaires au microscope confocal à balyage laser (CLSM), nous avons mis en évidence l'existence de vagues successives de colonisation conduisant au remplacement progressif de microorganismes. A l'aide des mêmes approches, nous avons caractérisé la dynamique de colonisation du microbiote foliaire. Comme les systèmes racinaires, l'assemblage des communautés microbiennes était dynamique dans le temps. Les microorganismes racinaires et aériens étaient très proches aux temps précoces de colonisation et se différenciaient au cours du temps. Cette observation suggère le transfert de microorganismes depuis les racines vers les feuilles conduisant à la sélection de communautés microbiennes spécifiques en fonction des compartiments de l'hôte. Pour analyser le rôle des phytohormones, sur l'assemblage des communautés microbiennes, nous avons généré des lignées transgéniques de peupliers altérées dans la biosynthèse et la perception de l'acide gibbérellique (AG), l'acide jasmonique (AJ), l'acide salicylique (AS), l'éthylène (ET) et des terpènes. Dans un premier temps, nous avons utilisé des lignées transgéniques de peuplier altérées dans la régulation de l'ET. Nous avons démontré que l'ET n'altère pas la composition des exsudats racinaires, au contraire des métabolomes aériens et racinaires qui étaient modulés en fonction de la concentration d'ET produit. D'autre part, nous avons observé une influence directe et globale de l'ET sur la structure du microbiote après séquençage de marqueurs taxonomiques bactériens (ITS) et fongiques (16S), et l'observation des systèmes racinaires au CLSM. Enfin, afin d'exclure tout cofacteur pouvant expliquer les variations du microbiote chez des lignées transgéniques, nous avons caractérisé l'influence de l'agro-transformation sans expression de transgène sur la composition des communautés microbiennes. Nous avons démontré que cet évènement de transformation altérait l'assemblage du microbiote en comparaison avec des peupliers sauvages.

Forest ecosystems are dynamic environments on both the macroscopic and microscopic scales. Trees are home to a vast array of microorganisms, called microbiota, mainly composed of bacteria and fungi. These microbial communities colonize the different tissues of trees and participate in various interactions, both detrimental (e.g. pathogens) and beneficial. Indeed, some microorganisms (e.g. Plant Growth Promoting Bacteria: PGPR; mycorrhizal fungi), improve the growth and development of their host via the transfer of nutrients, mainly nitrogen (N) and phosphorus (P) in exchange of photoassimilated sugars. On the other hand, it confers resistance to the tree in the face of biotic stresses (e.g. attack by pathogens, herbivory) and abiotic stresses (e.g. drought, soil toxicity). The assembly of this microbiota is a dynamic process in time and space. Each organ of the host constitutes a particular micro-habitat where specific microbial communities are established, both on the surface (epiphytic) and within the different compartments (endophytic). On the other hand, the establishment of the microbiota leads to a succession of microorganisms that replace the communities already present over time. There are different parameters, biotic (e.g. rhizodeposition, immunity and host genotype) and abiotic (e.g. soil type, climate, seasons), that regulate the assembly of microbial communities. In this context, the objective of this thesis is to characterize the influence of phytohormones in the assembly of poplar microbiota. We first determined the dynamics of microbial colonization of the root system of poplar seedlings from 2 to 50 days. Using two complementary methods, sequencing of bacterial (16S) and fungal (ITS, 18S) taxonomic markers, and observation of the root systems with a confocal laser scanning microscope (CLSM), we demonstrated the existence of successive waves of colonization leading to the progressive replacement of microorganisms. Using the same approaches, we characterized the colonization dynamics of the leaf microbiota. Like root systems, the assembly of microbial communities was dynamic over time. Root and aerial microorganisms were very close at early colonization times and differentiated over time. This observation suggests the transfer of microorganisms from roots to leaves leading to the selection of specific microbial communities according to host compartments. To analyze the role of phytohormones on the assembly of microbial communities, we generated transgenic lines of poplars altered in the biosynthesis and perception of gibberellic acid (GA), jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), ethylene (ET) and terpenes. First, we used poplar transgenic lines altered in the regulation of ET. We demonstrated that ET does not alter the composition of root exudates, in contrast to aerial and root metabolomes that were modulated according to the concentration of ET produced. On the other hand, we observed a direct and global influence of ET on the structure of the microbiota after sequencing of bacterial (ITS) and fungal (16S) taxonomic markers, and observation of root systems at CLSM. Finally, in order to exclude any cofactor that could explain microbiota variations in transgenic lines, we characterized the influence of agro-transformation without transgene expression on microbial community composition. We demonstrated that this transformation event altered the assembly of the microbiota in comparison with wild type poplars.