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Gerlin, Léo. Etude des interactions métaboliques entre plante et bactéries colonisatrices du xylème en utilisant la modélisation par contraintes

Gerlin, Léo (2021). Etude des interactions métaboliques entre plante et bactéries colonisatrices du xylème en utilisant la modélisation par contraintes.

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Résumé en francais

Parmi les bactéries pathogènes de plantes les plus préoccupantes, plusieurs colonisent les vaisseaux du xylème. Le xylème est décrit comme un environnement pauvre en sources carbonées, ce qui paraît paradoxal puisque certaines bactéries y atteignent de hautes densités cellulaires. Par ailleurs, des études récentes ont mis en lumière l'étroite relation entre la régulation de la virulence et du métabolisme chez ces bactéries. Ces constats nous poussent à adopter une analyse intégrative des métabolismes de la plante hôte et de la bactérie, pour mieux comprendre la contribution de la nutrition bactérienne in planta dans l'interaction avec l'hôte. Nous nous proposons d'utiliser pour cela la modélisation métabolique par contraintes. Cette méthodologie repose sur la formulation de problèmes d'optimisation linéaire et permet de prédire et de quantifier l'ensemble des flux matière empruntés entre l'assimilation d'un substrat et la production de biomasse. Nous avons utilisé comme modèles la bactérie Ralstonia solanacearum (formellement Ralstonia pseudosolanacearum GMI1000), agent causal du flétrissement bactérien, et la tomate, son hôte naturel. La première partie de ces travaux a donc consisté à construire un modèle métabolique multi-organe de la plante, soutenu par l'acquisition de données expérimentales, et intégrant les flux matière du xylème. Ce modèle s'est révélé un outil pertinent pour prédire la composition du xylème à partir des conditions environnementales et physiologiques de la plante. Ensuite, une étude expérimentale de la dynamique physiologique et métabolique du flétrissement bactérien sur tomate a permis de quantifier des paramètres clés de l'interaction. Notamment, un point de basculement vers la maladie a été caractérisé, intervenant après une forte prolifération de la bactérie et un épuisement de la glutamine et de l'asparagine dans le xylème. Ces paramètres ont été utilisés pour développer un modèle métabolique de l'interaction R. solanacearum - tomate calibré sur de nombreuses données expérimentales, et de prédire : i) la densité bactérienne qui sera nuisible à la croissance de la plante, ii) la densité bactérienne maximale pouvant proliférer dans la plante grâce aux flux du xylème, iii) la contribution de l'assimilation des sucres et de la glutamine dans l'interaction. Il a ainsi été révélé que la densité bactérienne limitant la croissance de la plante était proche de celle du point de basculement obtenu expérimentalement, suggérant que l'utilisation des ressources est un paramètre clé dans le basculement vers la maladie. Aussi, les flux du xylème sont en mesure de soutenir une croissance rapide de R. solanacearum jusqu'à des densités très élevées, soulevant donc qu'en prenant en compte des données quantitatives, le xylème n'est pas à considérer comme pauvre pour la bactérie. Enfin, un rôle particulièrement critique de la glutamine est suggéré par le modèle. Relier la nutrition de la plante et ses conditions de culture au flux de glutamine dans le xylème apparaît donc une piste prometteuse pour limiter l'effet de bactéries colonisatrices du xylème sur les cultures. Afin de parvenir à une vision plus globale du rôle du métabolisme dans le mode de vie des bactéries colonisatrices du xylème, le modèle métabolique d'une autre bactérie, Xylella fastidiosa (sous-espèce multiplex CFBP8418), a été reconstruit et manuellement curé en utilisant la littérature et des données expérimentales. Il a ainsi été montré que les particularités de X. fastidiosa (croissance très lente, spécialisation environnementale) se répercutaient dans ses capacités métaboliques (restreintes et peu robustes par rapport à R. solanacearum), et dans l'absence de plusieurs réactions ou voies suspectées de contribuer à une croissance rapide. La reconstruction de modèles métaboliques constitue donc un outil pertinent pour comprendre et expliquer les différences de styles de vie entre bactéries pathogènes de plantes.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Genin, Stéphane
Baroukh, Caroline
Ecole doctorale:Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (SEVAB)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement (LIPME), UMR 2594/441
Mots-clés libres :Modélisation - Xylème - Ralstonia solanacearum - Métabolisme - Tomate - Xylella fastidiosa
Sujets :Sciences du vivant
Déposé le :10 Mar 2022 09:20