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Accueil > Départements > Microbiologie > Denis FAURE & Peter MERGAERT : Interactions Plantes-Bactéries

Thèses & HDRs récentes de l’équipe

- Marianna NAGYMIHALY (PhD) - 15/11/2017

Des changements ploïdie-dépendant dans l’épigénome de cellules symbiotiques sont corrélés avec des profils spécifiques d’expression génique
PhD Université Paris-Saclay & University of Szeged
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Résumé
Les légumineuses peuvent interagir avec les bactéries du sol de la famille des Rhizobiaceae. Cette interaction aboutit à la formation d’un organe spécialisé appelé nodosité. Au sein des cellules symbiotiques des nodosités, les rhizobia sont capables de fixer l’azote atmosphérique et de la convertir en ammoniac, qui est une source d’azote assimilable par les plantes. Chez la Légumineuse Medicago truncatula, les cellules symbiotiques produisent une large famille de peptides riches en cystéines appelées (NCRs) spécifiquement exprimés dans les nodosités. Ces NCRs induisent la différenciation des bactéroïdes qui se traduit par un allongement cellulaire couplé à une forte endoréplication du génome (les bactéroïdes deviennent polyploïdes) contribuant ainsi à une augmentation importante de la taille des cellules, ainsi qu’une perméabilité membranaire accrue et une perte de toute capacité reproductrice. Les peptides NCRs ressemblent à des défensines, des peptides antimicrobiens, acteurs clés de l’immunité innée. L’analyse de l’expression de 334 gènes NCR dans 267 différentes conditions expérimentales en utilisant la base de données MtGEA (Medicago truncatula Gene Expression Atlas) a révélé que l’ensemble des gènes NCR testés (sauf quatre) n’est exprimé que dans les nodosités, ils ne sont pas exprimés dans d’autres organes de la plante, ni lors d’une infection par des agents pathogènes. De plus l’expression des NCRs n’est induite en réponse à aucune interaction biotique ou abiotique testée ou à des facteurs Nod. Les gènes NCR sont activés en vagues successives au cours de l’organogenèse nodulaire et ce profil temporel est en corrélation avec une localisation spatiale spécifique de leurs transcrit de la zone apicale à la partie proximale de nodosités. En outre, nous avons montré que les NCRs ne sont pas induites pendant la sénescence des nodules. Ces analyses expérimentales ensemble avec des calculs d’entropie de Shannon, une métric pour la spécificité d’expression, montrent que les gènes NCR sont parmi les gènes les plus fortement et le plus spécifiquement exprimés chez M. truncatula. Ainsi, l’expression des NCRs est soumise à une régulation extrêmement stricte et ils sont activés exclusivement pendant l’organogenèse et au cours du développement nodulaire dans les cellules symbiotiques polyploïdes. Cette analyse a suggéré l’implication de la régulation épigénétique des gènes NCR. La formation des cellules symbiotiques s’exerce par une endoreplication et est associée à une reprogrammation transcriptionnelle. En utilisant le tri par cytométrie en flux des noyaux, en fonction de leur contenu en ADN, nous avons montré que les vagues transcriptionnelles sont en correlation avec les niveaux croissants de ploïdie et resultent des modifications épigénétiques durant les cycles d’endoréplication. Nous avons étudié la méthylation de l’ADN génomique et l’accessibilité à la chromatine, ainsi que la présence des marqueurs répresseurs (H3K27me3) ou activateurs transcriptionnels (H3K9ac) sur des gènes spécifiques des nodosités. La méthylation différentielle de l’ADN n’a été trouvée que dans un petit sous-ensemble de gènes symbiotiques spécifiques aux nodosités. Néanmoins, plus que la moitié des gènes NCR était différentiellement méthyles. D’autre part, l’expression des gènes était corrélée avec la décondensation de la chromatine (ouverture), un enrichissement du marqueur H3K9ac et une diminution du marqueur H3K27me3. Nos résultats suggèrent que l’endoréplication, pendant la différenciation cellulaire dans les nodosités, fasse partie des mécanismes qui lèvent l’inactivation transcriptionnelle des gènes spécifiques des nodosités, ceci résultant de modifications des codes épigénétiques au niveau de la chromatine.

- Pauline BLIN (PhD) - 28/9/2017

Dynamique des interactions entre Dickeya dianthicola, Dickeya solani et leur hôte Solanum tuberosum
PhD Université Paris-Saclay

Résumé
Chez la pomme de terre Solanum tuberosum, la jambe noire et la pourriture molle sont des maladies provoquées par des populations bactériennes associant une ou plusieurs espèces des genres Pectobacterium et Dickeya. Depuis plusieurs décennies en Europe, l’implication des Dickeya s’amplifie, notamment avec l’émergence récente de D. solani dans les années 2000. Aucun moyen de lutte curatif n’est efficace contre ces phytopathogènes ; seules des approches prophylactiques sont mises en place par les filières de production. Dans ce travail, l’analyse de la structure de populations pathogènes au sein de parcelles de pomme de terre du nord de la France montre que D. dianthicola et D. solani dominent en abondance relative les populations de Pectobacterium, tandis que D. dianthicola domine D. solani lorsque les deux populations coexistent. Dans une seconde partie, des populations artificielles de D. dianthicola et D. solani ont permis d’évaluer leur agressivité et leur compétitivité en serre. Tandis que la population de D. dianthicola confirme sa plus forte agressivité et compétitivité après infection de plantes entière de S. tuberosum, celle de D. solani s’avère plus agressive et compétitive après infection de jacinthes Hyacinthus orientalis, ainsi qu’en milieux de culture riche et minimum.
L’analyse individuelle des isolats composant les populations artificielles de D. dianthicola et de D. solani montre que l’agressivité différente chez l’hôte S. tuberosum est un trait distinctif de ces espèces pathogènes ; ce qui renforce l’hypothèse d’un transfert d’hôte récent (plantes à bulbes vers plants de pomme terre) de D. solani. D’une manière remarquable, dans les tissus infectés de S. tuberosum (tige et tubercules), les gènes de virulence pelD et pelE sont plus fortement exprimés et d’une manière plus hétérogène chez les isolats de D. solani que ceux de D. dianthicola. Une analyse transcriptomique comparative confirme la variabilité de l’expression de fonctions de virulence entre 3 isolats de D. solani. L’ensemble de ce travail révèle que D. solani est encore en phase d’adaptation à l’hôte S. tuberosum avec une moindre compétitivité contre D. dianthicola lors de co-infection mais a une expression des fonctions de virulence en condition de macération plus importante que D. dianthicola. Ainsi, sous condition de sélection de variations génétiques favorables à son installation sur l’hôte S. tuberosum et à l’amélioration de sa compétitivité contre D. dianthicola, D. solani représente un risque majeur à moyen terme pour la culture de pomme de terre.

- Benoît ALUNNI (HDR) - 25/9/2017

Symbiose et pathogénie dans les interactions plantes-bactéries
HDR Université Paris-Saclay

- Almudena GONZALEZ MULA (PhD) - 8/6/2017

Mode de vie d’Agrobacterium tumefaciens dans la tumeur
PhD Université Paris-Saclay

Résumé
Le phytopathogène Agrobacterium tumefaciens est l’agent causal de la maladie appelée galle du collet, et est capable d’infecter plus de 90 familles de plantes dicotylédones. Cette α-proteobacterie et appartient à la famille des Rhizobiaceae. A. tumefaciens est décrit comme un complexe de différentes espèces regroupées en 10 génomovars (G1 à G8 et G13). A. tumefaciens C58 appartient au groupe du G8. Son génome est constitué de 4 réplicons : 1 chromosome circulaire, 1 chromosome linéaire et les plasmides : pAt (pour A. tumefaciens) et pTi (pour tumor inducing, qui est requis pour la virulence).
Pour explorer de nouveaux aspects du mode de vie d’A. tumefaciens, et en particulier l’interaction entre la bactérie et sa plante hôte,
deux approches différentes ont été utilisées pour identifier, caractériser et analyser les gènes qui pourraient jouer un rôle dans l’adaptation des bactéries à la tumeur. Une expérience de l’évolution par des passages en série de trois souches différentes de l’agent pathogène sur la plante hôte Solanum lycopersicum a été effectuée afin de clarifier la dynamique évolutive du génome au cours de l’infection. Parallèlement, une étude de différents transcriptomes (in planta et in vitro) a été réalisée et étudiée pour élucider des gènes bactériens candidats impliqués dans l’interaction de la bactérie avec la plante et divers composés produits dans la tumeur. Ce travail tente de donner une vue plus générale du processus d’adaptation de la bactérie à la niche écologique qui est la tumeur.

- Tsubasa OHBAYASHI (PhD) - 3/2017

Histological and molecular bases underpinning host-symbiont specificity in the bean bug-Burkholderia gut symbiosis

PhD Hokkaido University, Sapporo, Japan
Thèse co-dirigée par Peter Mergaert

Abstract
(ホソヘリカメムシとBurkholderiaの腸内共生系における宿主−共生者間特異性の組織学的基盤および分子基盤)

 昆虫類は世界中で100万種以上が知られる最も繁栄した生物群であり、その半数以上は体内に共生微生物を持ち、内部共生を営んでいる。これら昆虫の共生微生物はエサの分解や不足栄養素の補給に寄与し、宿主昆虫の栄養代謝において重要な役割を果たしている。このような昆虫の共生微生物について、これまで分類学的研究や生態学的研究が広く行われてきたが、共生成立に関わる遺伝子や分子メカニズムに関する研究はほとんど行われていない。その大きな理由は、共生微生物が昆虫の体内環境に高度に適応しているために単離培養が不可能であり、これによって遺伝子組換え等の実験手法が適用困難な点にあった。
 ダイズの重要害虫であるホソヘリカメムシは消化管に「盲のう」と呼ばれる袋状組織を多数発達させ、その中にBetaproteobacteria 綱のBurkholderia共生細菌を保持している。この共生細菌を持つカメムシは、非感染虫(共生細菌を持たないカメムシ)に比べ体サイズおよび産卵数が増加することから、Burkholderia共生細菌は宿主にとって有益なことがわかっている。さらに、昆虫の共生微生物としては例外的に、Burkholderia共生細菌は培養と遺伝子組換えが容易なことから、昆虫内部共生の分子基盤を研究するにあたって絶好の研究対象といえる。そこで本博士研究では、ホソヘリカメムシ−Burkholderia共生系にみられる「共生特異性」を裏打ちするメカニズムの解明を目指し、昆虫および共生細菌の双方からの実験アプローチによる研究を推進した。まず、共生細菌の感染特異性を明らかにするために、宿主側からのアプローチとして食物および細菌の流れに着目し、カメムシ消化管の詳細な組織学的観察を行い、ホソヘリカメムシ腸内にある狭窄部は食物および他の雑菌を制限しつつBurkholderia共生細菌だけを特異的に通過させる、極めて高度な細菌選別機構になっていることを発見した。次に共生細菌側からのアプローチとして、共生細菌の遺伝子変異株作成と共生不全株のスクリーニング、およびその機能評価を行い、Burkholderia共生細菌がホソヘリカメムシ中腸の狭窄部を通過するためには、べん毛運動性が必須であると結論することができた。また共生細菌のカメムシ腸内への適応機構を明らかにするために、培養時およびカメムシ腸内共生時におけるBurkholderia細菌の形態、生理、および遺伝子発現について多面的に解析し、硫酸塩やアラントインなど宿主由来の老廃物を利用しながら、Burkholderia共生細菌はカメムシ消化管内で活発に増殖していることが明らかとなった。
 以上のように、本博士論文ではホソヘリカメムシ−Burkholderia共生系を対象に宿主および共生細菌の双方から実験アプローチを行い、共生特異性を裏打ちする組織学的基盤および分子基盤を初めて明らかにすることができた。今後、腸内共生時に高発現していた共生細菌側の遺伝子についてさらに解析を進めることで、べん毛運動性以外の、ホソヘリカメムシ−Burkholderia共生系を支えるさらなる分子メカニズムの解明に繋がることが大いに期待される。

- Slimane KHAYI (PhD) - 9/12/2015

Génomique comparative des bactéries Dickeya solani et Pectobacterium wasabiae, pathogènes émergents chez Solanum tuberosum
PhD Université Paris-Saclay & Université Moulay Ismaïl
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Résumé
Les bactéries pectinolytiques appartenant aux genres Pectobacterium et Dickeya spp. sont des agents pathogènes chez Solanum tuberosum. Ces bactéries sont responsables de la maladie de la jambe noire et de la pourriture molle lors de la culture et du stockage des tubercules. Ce travail de thèse est divisé en deux axes : 1) Etude dela diversité d’une population du pathogène D. solani par approche de génomique comparée afin de mieux comprendre la structure génomique de cette espèce émergente. 2) L’assemblage du génome et la caractérisation génomique des facteurs de virulence chez Pectobacterium wasabiae RNS 08421A. L’analyse des génomes de 20 isolats de D. solani issus d’environnements différents, par une approche de génomique comparative associée à des analyses fonctionnelles, a révélé une forte homogénéité génétique au sein de la majorité des souches (16/20). De plus, cette analyse a permis de caractériser un nouveau sous-groupe au sein de l’espèce D. solani, représenté par la souche 0512 (1/20). En revanche, d’autres isolats (3/20) montrent des variations de quelques centaines à quelques milliers de SNPs/InDels qui sont regroupés dans des îlots génomiques. Leur analyse phylogénétique révèle qu’ils proviennent d’autres pathogènes par transferts horizontaux. Par ailleurs, l’analyse des fonctions affectées par les SNPs/InDels a permis de prédire, puis de vérifier sur pomme de terre, qu’un des isolats était faiblement virulent. La deuxième partie de mon travail porte sur l’assemblage, la caractérisation et l’analyse du génome de la souche RNS 08.42.1A de P. wasabiae, qui a été isolée en France. La génomique comparative avec 3 autres souches de P. wasabiae d’origines géographiques différentes, a révélé à la fois une forte similitude au niveau de la séquence génomique (ANI> 99%) et une synténie conservée des gènes de virulence. En outre, notre analyse a mis en évidence une nette distinction entre ces quatre souches de P. wasabiae (isolées de S. tuberosum) et la souche type japonaise P. wasabiae CFBP 3304T (isolée du raifort). Dans P. wasabiae RNS 08.42.1A, les gènes de synthèse et de perception du quorum sensing, expI/expR, présentent une plus forte homologie avec leurs orthologues chez P. atrosepticum et P. carotovurm (90%) qu’avec leurs homologues chez P. wasabiae (70%). Ceci suggère une acquisition de ces gènes par transfert horizontal au sein d’une population de pathogènes infectant la même plante hôte.

- Ibtissem GUEFRACHI (PhD) - 18/9/2015

Différenciation des bactéroïdes chez les légumineuses Aeschynomene
PhD Université Paris-Sud & Université de Carthage

2nd price for best thesis CMCU2016 (France-Tunesia cooperation)
Prix L’oréal-Unesco - FWIS Maghreb 2017

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Abstract
The ability of legumes to acquire sufficient nitrogen from the symbiosis with Rhizobium relies on the intimate contact between the endosymbiotic, intracellular rhizobia, called bacteroids, and their host cells, the symbiotic nodule cells. A well-studied example is the symbiotic nitrogen fixing bacterium Sinorhizobium meliloti, which nodulates the legume Medicago truncatula. Nodules of M. truncatula produce an enormous diversity of peptides called NCRs which are similar to antimicrobial peptides (AMPs) of innate immune systems. These NCRs are involved in maintaining the homeostasis between the host cells in the nodules and the large bacterial population they contain. Although many NCRs are genuine AMPs which kill microbes in vitro, in nodule cells they do not kill the bacteria but induce them into the terminally differentiated bacteroid state involving cell elongation, genome amplification, membrane fragilization and loss of cell division capacity. Protection against the antimicrobial action of NCRs by the bacterial BacA protein is critical for bacteroid survival in the symbiotic cells and thus for symbiosis. As a part of my PhD thesis, I have shown that the differentiation of the symbiotic cells in M. truncatula is associated with a tremendous transcriptional reprogramming involving hundreds of genes, mainly NCR genes, which are only expressed in these cells. Although the extensive work on the model M. truncatula/S. meliloti, little is known how the plant controls its intracellular population and imposes its differentiation into a functional form, the bacteroids in other symbiotic systems. In my PhD work, I provide several independent pieces of evidence to show that tropical legumes of the Aeschynomene genus which belong to the Dalbergoid legume clade use a different class of cysteine rich peptides (NCR-like) to govern bacteroid differentiation. This mechanism is similar to the one previously described in Medicago which was up to now assumed to be restricted to the advanced IRLC legume clade, to which it belongs. I have also shown that the Bradyrhizobium symbionts of Aeschynomene legumes possess a multidrug transporter, named BclA, which mediates the import of a diversity of peptides including NCR peptides. In the absence of this transporter, the rhizobia do not differentiate and do not fix nitrogen. BclA has a transmembrane domain of the same family as the transmembrane domain of the BacA transporter of Rhizobium and Sinorhizobium species which is known to be required in these rhizobia to respond to the NCR peptides of IRLC legumes. Again this is a mechanism which is analogous to the one described in S. meliloti the symbiont of Medicago. This study broaden our knowledge on the evolution of symbiosis by showing that the modus operandi involving peptides derived from innate immunity used by some legumes to keep their intracellular bacterial population under control is more widespread and ancient than previously thought and has been invented by evolution several times.

- Yannick RAOUL DES ESSARTS (PhD) - 30/6/2015

Pathogénie de Dickeya dianthicola et Dickeya solani chez Solanum tuberosum, développement et évaluation de stratégies de lutte biologique
PhD Université Paris-Sud
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Résumé
Chez S. tuberosum, les pathogènes bactériens Pectobacterium et Dickeya causent les maladies de la jambe noire et de la pourriture molle au champ et lors du stockage des tubercules. Outre les méthodes de prophylaxie, aucune méthode de lutte n’est efficace contre ces bactéries. La FN3PT/RD3PT mène des projets de recherche en phytopathologie et épidémiologie pour mieux comprendre les traits de vie et la physiologie de ces pathogènes, et proposer des solutions de lutte adaptées. L’objectif de ce travail était double : comparer le pouvoir pathogène de deux bactéries émergentes D. dianthicola et D. solani et étudier des stratégies de lutte biologique contre Pectobacterium et Dickeya. D’abord, deux souches isolées au champ, D. dianthicola RNS04.9 et D. solani 3337 ont été comparées au niveau de leur pouvoir pathogène sur tubercules et sur plante entière. Cette étape a nécessité la mise au point de pathosystèmes appropriés. D. dianthicola RNS04.9 apparait plus virulente que D. solani 3337 sur plante entière, alors que le contraire est observé sur tubercules. Une comparaison génomique complétée d’études fonctionnelles ont révélé l’exsitence de certains traits propres à chaque souche, notamment, le catabolisme de l’arabinose et de l’urée chez D. solani 3337 et celui du rhamnose chez D. dianthicola RNS04.9. Ensuite, un criblage d’isolats bactériens a été réalisé pour identifier des agents de lutte biologique capables d’inhiber la croissance de Dickeya et Pectobacterium. Six bactéries, des genres Pseudomonas ou Bacillus, ont été retenues. Les essais menés en serre ont montré l’efficacité d’une combinaison de trois Pseudomonas pour diminuer les symptômes de jambe noire causées par D. dianthicola et sa transmission à la descendance. La séquence du génome de ces agents de lutte biologique a été déterminée. Avec ces données, par qPCR, un maintien des agents de phytoprotection dans le sol a été observé. Enfin, un criblage de molécules chimiques a été réalisé sur la base de leur capacité antiquorum-sensing pour réduire l’expression des facteurs de virulence chez Pectobacterium. Deux inhibiteurs du quorum-sensing ont été identifiés. En conclusion de ce travail, la possibilité de coupler différentes stratégies de lutte contre ces pathogènes pectinolytiques est discutée.

- Julien LANG (PhD) - 6/12/2013

Intrication des signalisations opine, quorum-sensing et GABA chez le phytopathogène Agrobacterium tumefaciens : Conséquences sur la colonisation de l’hôte et la dissémination des gènes plasmidiques
PhD Université Paris-Sud
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Résumé
Les opines sont des molécules produites dans les cellules végétales transformées par l’ADN-T d’A. tuméfaciens. Ces opines peuvent être utilisées comme nutriments par le phytopathogène et certaines d’entre elles agissent comme signaux moléculaires contrôlant la dissémination du plasmide de virulence Ti via la signalisation quorum-sensing. Le présent travail vise à une compréhension élargie du rôle des opines au cours des interactions A. tumefaciens-plantes hôtes. En se basant d’abord sur des analyses transcriptomiques, le régulon AccR d’A. tumefaciens C58, contrôlé par les opines agrocinopines, a été défini : celui-ci inclut des fonctions associées (i) à l’assimilation des agrocinopines, (ii) à l’assimilation de la nopaline, (iii) à la signalisation quorum-sensing et la conjugaison du plasmide Ti, (iv) à la conjugaison du plasmide At. La corrélation entre la co-régulation des conjugaisons des plasmides Ti et At et le co-transfert des deux réplicons a en outre été mise en évidence. Dans un second temps, associant des approches de génétique fonctionnelle à des travaux
en biologie structurale, l’avantage sélectif conféré par les opines nopaline et octopine à A. tumefaciens au sein des tumeurs végétales a été quantifié. Les bases moléculaires sous-jacentes à cet avantage sélectif, notamment celles associées à la perception et l’importation des deux opines dans le cytoplasme bactérien, ont été décrites. Enfin, en combinant des approches de métabolomique et de génétique inverse avec des tests de conjugaison in planta, les effets opposés de la signalisation GABA d’une part et des signalisations opine et quorum-sensing d’autre part sur la dissémination du plasmide Ti ont été démontrés. En conclusion, nos résultats révèlent l’intrication des signalisations opine, quorum-sensing et GABA au cours de l’interaction A. tumefaciens-plantes hôtes. Ils soulignent en particulier les impacts de cette intrication sur la colonisation de l’hôte ainsi que sur la dissémination des gènes de virulence et d’adaptation à l’environnement tumeur portés par les plasmides Ti et At.

par PBI - publié le , mis à jour le