Abstract :
[en] The treatment of plant roots with some Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) results in the enhancement of the immune capacity of the host against phytopathogens. This phenomenon called Induced Systemic Resistance (ISR) is observed in the whole plant and is effective against a broad spectrum of diseases. Many previous studies showed that this resistance is associated, in some pathosystems, with the stimulation of the key enzyme of the lipoxygenase (LOX) pathway. This defense pathway synthesizes antibiotic and signal compounds called oxylipins from poly unsaturated fatty acids. The main goal of our work was to analyse the involvement of the LOX pathway during the ISR in tomato plants
The different steps of the pathway were analyzed at the transcriptional, enzymatic and metabolic levels in leaves of tomato plants elicited with the PGPR Pseudomonas putida BTP1, before and after infection by the fungal pathogen Botrytis cinerea. Our study showed that the bacterial treatment reprogrammed the LOX pathway. Before infection, the activity of the key enzyme of the pathway, the LOX, was higher in P. putida BTP1-treated plants compared to control plants. This stimulation resulted in the accumulation 13-hydroperoxy fatty acids and 13-hydroxyfatty acids conjugated to phospholipids and galactolipids. These products could constitute a pool of antifungal compounds that can be used during the pathogen attack. During the first days after B. cinerea inoculation, the LOX activity, the accumulation of one of its substrate (linolenic acid) and of its products were stimulated in treated plants as compared to control plants. The increase of LOX activity was caused by the induction of the expression level of two Lox genes: TomLoxD and TomLoxF. We observed a decrease of the pool of conjugated oxylipins and a concomitant increase of non conjugated oxylipins, associated with the stimulation of the phospholipase A2 activity. The branches of the pathway which can use the products of the LOX as substrate were differentially regulated resulting in the accumulation of fungitoxic oxylipins against B. cinerea.
In order to determine if the induction of the LOX pathway is a general feature of the ISR in tomato, the effect of other PGPR and resistance elicitors produced by PGPR was analysed. Three pure bacterial elicitors sharing common biosurfactant features (the n-alkylated benzylamine derivative (NABD) produced by P. putida BTP1, the surfactin synthesized by many Bacillus strains and rhamnolipids purified from P. aeruginosa) and six Bacillus strains including strong, medium and non producers of surfactin were applied onto tomato roots. The analysis of the key points of the modulation of the LOX pathway showed that the plant molecular response depended on the studied organ (root / leaf), the nature of the elicitor and the amount of elicitor produced by the PGPR.
In addition to our study on the involvement of the LOX pathway, we searched other mechanisms potentially induced in ISR-expressing plants. The combination of histological staining, quantification of enzymatic activities and analysis of the genome expression by hybridization on DNA gene chips showed additional defense genes and pathways involved in the resistance in tomato.
In conclusion, our work showed that the LOX pathway is one of the defense mechanisms which can be involved in ISR in tomato. The elicitation of the resistance allows the plant to prepare to a future infection, and to respond faster and in a more effective way to a subsequent pathogen invasion.
[fr] L’inoculation de certaines bactéries bénéfiques nommées PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) au niveau des racines des plantes stimule dans celles-ci des réactions de défense envers les attaques d’agents pathogènes. Ce phénomène, appelé la résistance systémique induite (ISR), se développe dans toute la plante et est efficace contre une large gamme de maladies. Plusieurs travaux antérieurs ont montré que cette résistance est associée, dans certains pathosystèmes, avec la stimulation de l’enzyme clé de voie de la lipoxygénase (LOX). Cette voie de défense produit des composés antibiotiques et/ou signaux appelés les oxylipines à partir d’acides gras poly-insaturés. Le but principal de notre travail est d’examiner l’implication de la voie de la LOX lors de l’ISR chez la tomate.
Les différentes étapes de la voie ont été analysées au niveau transcriptionnel, enzymatique et métabolique dans des feuilles de plants de tomate élicités avec la PGPR Pseudomonas putida BTP1, avant et après infection par l’agent phytopathogène fongique Botrytis cinerea. Notre étude montre que l’induction de l’ISR chez la tomate par P. putida BTP1 est associée à la reprogrammation de la voie de la LOX. Avant infection, l’activité de l’enzyme clé de la voie, la LOX, est supérieure chez les plants traités par les rhizobactéries par rapport aux plants contrôles. Il en résulte une accumulation des 13-hydroperoxydes et des 13-hydroxydes d’acide gras sous forme conjuguée avec des phospholipides ou/et des galactolipides. Cette accumulation constituerait une réserve de molécules antifongiques qui seront utilisées lors d’une infection par un agent pathogène. Pendant les premiers jours qui suivent l’inoculation de B. cinerea, l’activité enzymatique de la LOX, l’accumulation d’un de ses substrats (l’acide linolénique) et de ses produits sont stimulés chez les plantes résistantes par rapport aux plants contrôles. L’augmentation d’activité de la LOX est due à l’augmentation du niveau d’expression de deux gènes Lox : TomLoxD et TomLoxF. La quantité d’oxylipines conjuguées, accumulées avant infection, diminue et s’accompagne d’une augmentation d’oxylipines non conjuguées (libres) associée à la stimulation de l’activité de la phospholipase A2. Les différentes branches de la voie qui peuvent consommer les produits de la LOX sont différentiellement régulées, conduisant à l’accumulation d’oxylipines fongitoxiques envers B. cinerea.
De façon à déterminer si la voie de la LOX est un mécanisme stimulé par tous les inducteurs d’ISR chez la tomate, l’effet d’autres PGPR et molécules élicitrices de résistance produites par des PGPRs a été analysé. Trois éliciteurs d’origine bactérienne présentant des caractéristiques biosurfactantes (le dérivé benzylamine n-alkylé (NABD) produit par P. putida BTP1, la surfactine synthétisé par certaines souches du genre Bacillus et des rhamnolipides purifiés à partir de P. aeruginosa) ainsi que six souches de Bacilles, produisant des quantités différentes de surfactine, ont été appliqués sur les racines de tomate. L’analyse des points-clé de la voie de la LOX a montré que l’induction de cette voie dépend de l’organe étudié (feuille / racine), de la nature de l’éliciteur et de la quantité d’éliciteur produit par les PGPR.
En complément de notre analyse sur l’implication de la voie de la LOX, nous avons recherché d’autres mécanismes potentiellement induits chez les plants résistants. La combinaison de techniques de coloration in situ, d’analyse d’activités enzymatiques et transcriptomique sur puce à ADN a permis de mettre en évidence d’autres gènes et voies de défense participant à la résistance chez la tomate.
En conclusion, notre travail montre que la voie de la LOX est un des mécanismes pouvant participer à la défense des plants de tomate exprimant l’ISR. L’élicitation de la résistance permet à la plante de préparer une future infection afin de répondre de manière plus efficace lors d’une attaque d’un agent pathogène.
