Study of the induced systemic resistance of plants: molecular aspects of the interaction between plant cells and amphiphilic elicitors produced by non-pathogenic rhizobacteria
[en] Some non pathogenic rhizobacteria could locally interact with plants, leading to the stimulation of a primed protection state in the host plant. Upon subsequent pathogen attack, this priming state allows an accelerated activation of defense responses extending to all organs of the plant. Fundamental as well as applied research about this induced systemic resistance (ISR) has been tremendously boosted in the past decades, driven by its evident potential for biological control of plant diseases in agriculture. However very little information is available about molecular mechanisms governing the recognition by plant cells of ISR-specific elicitors. Various compounds retaining the ability to elicit ISR have been isolated, among which the recently emerged class of biosurfactants. We conducted the present thesis work with the scope to highlight how such amphiphilic compounds are perceived at the plant cell surface to stimulate the systemic plant immune system. In the first part, the strain B. amyloliquefaciens was selected out of other isolates for its technological traits and previously characterized ISR activity. We demonstrated that surfactin is the most competent cyclic lipopeptide (cLP) family produced by this strain to confer ISR on the selected plant model, tobacco. In order to improve our knowledge about the mechanism governing the perception of this biosurfactant at the plant cell surface, we have combined various approaches such as structure/activity (stimulation of the defense-related oxidative burst) relationship, insertion kinetics within membranes of tobacco cultured cells and thermodynamic determination of binding parameters on various model membranes via isothermal titration calorimetry. Our data indicate that surfactin perception relies on a lipid-driven process which is quite uncommon regarding the typical proteic receptor-mediated recognition of molecular patterns governing the plant basal immunity. We then demonstrate that cLPs induce some enrichment or depletion into specific lipid platforms of different proteins. We hypothesize that it may be: (1) the direct consequence of the generation of insertion sites for some proteins in the entire plasma membrane due to specific cLP segregation at lipid phase interfaces; or (2) result from the indirect adjustment of lipid-modifying enzymes activities through an induced rearrangement of the plasma membrane lipid organization. It reinforces the current hypothesis of a role for lipid microdomains-driven lateral compartmentalization in plant cell signaling. The lipid bilayer of target cells could now be considered as the focal point of cLPs perception from where start cellular responses. As they display an original mechanism of action, the class of amphiphilic ISR elicitors to which they belong become more attractive than ever for further development of innovative biopesticides. [fr] Certaines rhizobactéries non pathogènes peuvent interagir localement avec les plantes, menant à la stimulation d’un état de protection « anticipé ». Lors d’une attaque ultérieure par un agent pathogène, cet état de défense anticipé permet une activation plus rapide des réponses de défense s’étendant à l’ensemble des organes de la plante. La recherche appliquée et fondamentale sur cette résistance systémique induite (ISR) a connu un essor important ces dernières années étant donné son potentiel dans la lutte biologique des maladies des plantes en agriculture. Peu d’informations sont cependant disponibles concernant les mécanismes moléculaires gouvernant la reconnaissance par les cellules des plantes des éliciteurs de l’ISR. Différents composés capables d’induire l’ISR ont été isolés, parmi lesquels ceux constituant la récente classe des biosurfactants. Nous avons réalisé ce travail de thèse dans le but d’éclaircir la manière dont les composés amphiphiles sont perçus à la surface des plantes pour stimuler le système immunitaire systémique des plantes. Dans la première partie, la souche B. amyloliquefaciens a été sélectionnée pour ses caractéristiques technologiques et son potentiel à induire l’ISR précédemment mis en évidence. Nous avons démontré que la surfactine est la plus active des familles de lipopeptides cycliques (LPc) produites par cette souche sur le modèle végétal sélectionné, le tabac. Afin d’augmenter notre connaissance des mécanismes de perception de ce biosurfactant à la surface des cellules de plantes, nous avons combiné différentes approches comme l’étude de la relation structure/activité, la cinétique d’insertion dans les membranes de cellules de tabac en culture cellulaire et la détermination thermodynamique des paramètres de liaison sur différents modèles membranaires au moyen de la titration calorimétrique isotherme. Nous résultats montrent que la perception de LPc tels que les surfactines repose sur un processus dépendant des lipides, ce qui est singulier au regard de la reconnaissance typiquement dépendante de récepteurs protéiques des motifs moléculaires gouvernant l’immunité basale des plantes. Nous avons ensuite démontré que les LPc induisent l’enrichissement et la déplétion de différentes protéines au sein de plateformes lipidiques spécifiques. Nous émettons l’hypothèse que cette réorganisation protéique peut être (1) la conséquence directe de la génération de sites d’insertion pour certaines protéines dans la membrane plasmique due à une ségrégation spécifique des LPc aux interfaces de phases lipidiques ou (2) résulter d’un ajustement indirect de l’activité d’enzymes dépendant des lipides via l’induction du réarrangement de l’organisation de la membrane plasmique. Cela renforce l’hypothèse actuelle du rôle de la compartimentalisation latérale de microdomaines lipidiques dans les voies de signalisation des plantes. La bicouche lipidique des cellules cibles peut dorénavant être considérée comme le point focal de la perception des LPc d’où partent les réponses cellulaires. Etant donné leur mécanisme d’action original, la classe des éliciteurs amphiphiles de l’ISR à laquelle appartiennent les LPc devient plus attractive que jamais pour le développement de biopesticies innovants.
Study of the induced systemic resistance of plants: molecular aspects of the interaction between plant cells and amphiphilic elicitors produced by non-pathogenic rhizobacteria
Alternative titles :
[fr] Etude de l’immunité systémique induite des plantes : aspects moléculaires de l’interaction entre cellules végétales et éliciteurs amphiphiles produits par des rhizobactéries non pathogènes
