Symbiose et immunité de la plante hôte : cas de l’interaction Alnus glutinosa – Frankia alni – Phytophthora alni

Symbiosis and host plant immunity : case of Alnus glutinosa - Frankia alni - Phytophthora alni interaction

• Auteur / Autrice : Mathilde Vincent
• Direction : Aude Herrera, Anne-Emmanuelle Hay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie microbienne
• Date : Soutenance le 09/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie Microbienne (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Florence Wisniewski-Dyé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aude Herrera, Anne-Emmanuelle Hay, Florence Wisniewski-Dyé, Pascal Ratet, Benoît Alunni, Cédric Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Ratet, Benoît Alunni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Immunologie

Relations plante-microorganisme pathogène

Symbiose

Maladies

Aulne glutineux

Mots clés libres

Alnus glutinosa

Symbiose Fixatrice d'Azote

Frankia alni

Pathogénie

Phytophthora alni

Immunité végétale

Résistance Locale / Systémique

Multi-omiques

Alnus glutinosa

Nitrogen Fixation Symbiosis

Frankia alni

Pathogenesis

Phytophthora alni

Plant immunity

Local/Systemic Resistance

Multi-omics

Résumé

L'aulne glutineux est l'une des essences principales des milieux ripisylves, où il assure de nombreuses fonctions biologiques et socio-économiques. Or, depuis plusieurs années, une maladie émergente causée par Phytophthora alni décime les populations d'aulne dans ces milieux. Comprendre les facteurs de risque ayant un rôle primordial dans la dissémination de cette maladie est indispensable pour enrailler la dégradation de l'état sanitaire de l'aulne. Cela implique de considérer la complexité de la relation hôte-pathogène, mais aussi les facteurs environnementaux biotiques et abiotiques susceptibles d'impacter cette relation et, parmi eux l'interaction symbiotique que l'aulne est capable d'établir avec Frankia, actinobactérie fixatrice d'azote. Cette symbiose aboutit à la formation d'une nodosité racinaire au sein de laquelle les bactéries symbiotiques, protégées et nourries par la plante fournissent à l'aulne l'azote atmosphérique fixé. Cette symbiose est très étudiée pour comprendre les échanges trophiques entre les deux partenaires et le dialogue moléculaire conduisant à l'établissement de la nodosité. Cependant, on ignore si les interactions qu'entretient l'aulne avec son symbiote Frankia influe sur les réactions de défense de l'aulne, ce qui pourrait modifier sa capacité à se protéger contre des pathogènes. Les plantes disposent en effet d'un système immunitaire leur permettant de déclencher des mécanismes de défense, localement au point d'infection ou systémiques, en réponse aux interactions avec les microorganismes. Mieux décrits dans les systèmes plantes-pathogènes, ces mécanismes pourraient aussi intervenir dans les interactions symbiotiques. Le projet de thèse avait donc pour objectif de décrire le système immunitaire de la plante hôte Alnus glutinosa dans un contexte d'interactions multiples avec l'actinobactérie Frankia alni et l'oomycète Phytophthora alni, en combinant plusieurs approches -omiques complémentaires (transcriptomique, protéomique et Deux expériences ont été menées afin (i) d'étudier le système immunitaire de la plante hôte au cours des étapes précoces de l'interaction avec un microorganisme bénéfique versus pathogène et (ii) de déterminer si des signatures (gènes, protéines, métabolites) du système immunitaire de la plante hôte sont différentiellement exprimées quand cette dernière est nodulée par Frankia. Les résultats ont permis de mettre en évidence l'activation de marqueurs de défense dans les racines d'A. glutinosa dans les premières étapes de l'interaction avec F. alni (i.e., mise en place de la symbiose) et dans les étapes tardives (i.e., plante nodulée). Il a également été montré que les plantes nodulées sont capables de mettre en place des mécanismes de défense racinaires spécifiques par rapport aux plantes non-nodulées, ainsi qu'une réponse systémique plus forte, nous conduisant à discuter un possible effet « priming » de la symbiose avec Frankia. Nos résultats suggèrent également que, dans la nodosité, la plante hôte pourrait utiliser des mécanismes assimilés à des réactions de défense pour réguler la croissance et l'activité de son symbiote, et que ces réactions sont très fortement réprimées dans la nodosité lorsque l'hôte est infecté par le pathogène. Enfin, nos expérimentations nous ont permis de comprendre dans quelle mesure l'infection par le pathogène P. alni affecte l'établissement des interactions symbiotiques entre A. glutinosa et son symbiote F. alni.

Alnus glutinosa is one of the main species found in riparian environments, where it performs numerous biological and socio-economic functions. However, for several years, an emerging disease caused by Phytophthora alni has been decimating alder populations in these environments. Understanding risk factors that play a key role in the spread of this disease is essential to halt the decline in alder health. This involves considering the complexity of the host-pathogen relationship, but also the biotic and abiotic environmental factors likely to impact this relationship, including the symbiotic interaction that alder is able to establish with Frankia, a nitrogen-fixing actinobacteria. This symbiosis leads to the formation of a root nodule in which the symbiotic bacteria, protected and nourished by the plant, supply the alder with fixed atmospheric nitrogen. This symbiosis has been extensively studied to understand the trophic exchanges between the two partners and the molecular dialogue leading to the establishment of the nodule. However, it is not known whether the interactions between the alder and its Frankia symbiont influence the alder's defense reactions, which could modify its ability to protect itself against pathogens. Plants have an immune system that enables them to trigger defense mechanisms, either locally at the point of infection or systemically, in response to interactions with microorganisms. Better described in plant-pathogen systems, these mechanisms could also be involved in symbiotic interactions. The aim of the thesis project was therefore to describe the immune system of the host plant Alnus glutinosa in a context of multiple interactions with the actinobacterium Frankia alni and the oomycete Phytophthora alni, by combining several complementary -omics approaches (transcriptomics, proteomics and metabolomics). Two experiments were carried out to (i) study the host plant immune system during the early stages of interaction with a beneficial versus pathogenic microorganism and (ii) determine whether signatures (genes, proteins, metabolites) of the host plant immune system are differentially expressed when the latter is nodulated by Frankia. The results highlighted the activation of defense markers in A. glutinosa roots in the early stages of interaction with F. alni (i.e., symbiosis establishment) and in the later stages (i.e., nodulated plant). It was also shown that nodulated plants are able to set up specific root defense mechanisms compared to non-nodulated plants, as well as a stronger systemic response, leading us to discuss a possible ''priming'' effect of symbiosis with Frankia. Our results also suggest that, in the nodule, the host plant may use mechanisms assimilated to defense reactions to regulate the growth and activity of its symbiont, and that these reactions are strongly repressed in the nodule when the host is infected by the pathogen. Finally, our experiments enabled us to understand the extent to which infection by the pathogen P. alni affects the establishment of symbiotic interactions between A. glutinosa and its symbiont F. alni.