Étude d'une nouvelle souche bactérienne de biocontrôle et de sa capacité à stimuler les défenses végétales : modèle Phytophthora infestans - Solanum lycopersicum

Abstract

Dans le cadre de la lutte biologique, des bactéries de biocontrôle sont utilisées pour combattre des agents phytopathogènes. Des études récentes révèlent qu’une nouvelle souche bactérienne de biocontrôle est efficace dans la lutte contre certains oomycètes. Cependant, son potentiel à induire les défenses végétales n’a pas encore été étudié. L’élucidation du mode d’action indirect de cette souche est réalisée sur le pathosystème Phytophthora infestans - Solanum lycopersicum, où P. infestans est un ravageur commun des solanacées, responsable du mildiou de la tomate. Avant d’évaluer la capacité élicitrice de la souche, diverses hypothèses ont été testées concernant son potentiel colonisateur et migratoire ainsi que son action directe contre P. infestans. Une fois les hypothèses vérifiées, il a été possible d’étudier in vivo la capacité élicitrice de la bactérie en mesurant l’indice de sévérité de la maladie en fonction du traitement. Différents modes d’application de la bactérie ont été testés : un traitement du semis (S), un traitement racinaire (R), un traitement à la fois du semis et des racines (SR), et un traitement foliaire (F). L’objectif étant de déterminer quel mode d’application maximise au mieux la réaction de défense et par conséquent offre la meilleure protection lorsque la plante est inoculée par P. infestans. En supplément, des études transcriptomiques, enzymatiques et métabolomiques ont été réalisées afin de comprendre les mécanismes de défense induits chez les plantes traitées. L'étude a révélé que la bactérie colonise durablement la rhizosphère des plants de tomate, avec une concentration se stabilisant à 2,2 x 10⁵ cfu/g de racines, 35 jours après un traitement au semis. Ce qui n’est pas le cas pour la colonisation foliaire où la concentration bactérienne chute rapidement trois jours après traitement. Ces résultats renforcent l’hypothèse que la souche serait un bon candidat dans le cadre d’une élicitation racinaire. De plus, les tests de confrontation in vitro indiquent que la bactérie peut agir directement sur le pathogène, réduisant la masse mycélienne de 66% en milieu liquide (p<0,001). Néanmoins, la bactérie ne montre aucune capacité migratoire allant de la rhizosphère vers les feuilles, signifiant que lors d’un traitement racinaire, le microorganisme n’agit pas directement sur le pathogène. Quant aux essais in vivo d’élicitation, tous les traitements ont significativement réduit la sévérité du mildiou par rapport aux plantes non traitées, avec des indices de protection allant de 61,81 % à 80,29 %. En ce qui concerne les mécanismes de défense, l’activité de la phénylalanine-ammonialyase (PAL) augmente pour tous les traitements 48 heures après l’ajout du pathogène, mais à 120 heures la tendance varie d’un traitement à l’autre. La PAL est une enzyme impliquée dans la biosynthèse de composés phénoliques et donc le renforcement des barrières végétales. Ensuite, il est difficile d’interpréter les résultats de l’enzyme lipoxygénase (LOX) catalysant la première étape de la voie des oxylipines (molécules de défense) car elle est présente sous diverses isoformes. La cinétique de l’expression des gènes de défense varie selon le traitement : R et S surexpriment leurs gènes respectivement à 48 et 120 heures après inoculation du pathogène tandis que F et SR le font avant l’ajout du pathogène. Les gènes codant pour les protéines PR 1 (antimicrobiens), PR 4 (osmotine), PR 5 (chitinases) et PR 14 (chitinases) sont surexprimés ainsi que les voies de signalisation hormonale régulant les mécanismes de défense. En outre, les gènes codant pour les enzymes antioxydantes, jouant un rôle déterminant contre les dommages oxydatifs, sont également surexprimées chez tous les traitements. Enfin, l’étude des métabolites secondaires a révélé une surproduction d’acide caféique et une sous-production de linoléamide, intervenant respectivement dans les voies de la PAL et la LOX, chez les plantes traitées au semis 120 heures après l’inoculation du pathogène. En conclusion, la nouvelle souche bactérienne montre une capacité prometteuse de biocontrôle du mildiou de la tomate grâce à l’élicitation des défenses végétales, et ce particulièrement en cas d’application au sol. Des recherches supplémentaires sont nécessaires afin d’optimiser son efficacité et explorer son application à d'autres pathosystèmes. Bien que les mécanismes de défense induits par la bactérie ne soient que partiellement élucidés, cette étude ouvre la voie à son utilisation future en tant qu’agent de biocontrôle.

In the scope of biological control, biocontrol bacteria are used to fight against plant pathogen. Recent studies have shown that a new bacterial biocontrol strain is effective in controlling some oomycetes. However, its potential to induce plant defences has not yet been studied. The indirect mechanism of action of this strain is being elucidated in the Phytophthora infestans - Solanum lycopersicum pathosystem, where P. infestans is a common pest of solanaceous crops, responsible for tomato late blight. Before assessing the eliciting capacity of the bacterial strain, various hypotheses were evaluated regarding its colonising and migratory potential as well as its direct action against P. infestans. Once these hypotheses had been verified, it became possible to study the bacteria's eliciting capacity in vivo by measuring disease severity index as a function of the treatment applied. Different application methods were tested: a sowing treatment (S), a root treatment (R), a combination of sowing and root treatments (SR), and a foliar treatment (F). The aim was to determine which application method maximizes the defence response and therefore offers the best protection when the plant is inoculated with P. infestans. Additionally, transcriptomic, enzymatic, and metabolomic studies were carried out to understand the defence mechanisms induced in treated plants. The study revealed that bacteria colonise the rhizosphere of tomato plants over time, with a concentration stabilising at 2,2 x 10⁵ cfu/g of roots, 35 days after a treatment at sowing. This is not the case for foliar colonisation, where the bacterial concentration rapidly drops three days after treatment. These results support the hypothesis that the bacterial strain could be a good candidate for root elicitation. Moreover, in vitro confrontation tests indicate that the strain can act directly on the pathogen, reducing mycelial mass by 66% in liquid medium (p<0.001). However, bacteria show no ability to migrate from the rhizosphere to the leaves, meaning that during root treatment, it does not act directly on the pathogen. As for the in vivo elicitation trials, all treatments significantly reduce late blight severity compared with untreated plants, with protection indices ranging from 61,81% to 80,29%. Regarding defence mechanisms, the activity of phenylalanine-ammonia lyase (PAL) increases for all treatments 48 hours after pathogen addition, but at 120 hours, the trend varied from one treatment to another. PAL is an enzyme involved in the biosynthesis of phenolic compounds and therefore strengthen plant barriers. Additionally, interpreting the results for the lipoxygenase (LOX) enzyme, which catalyses the first step in the oxylipin (defence molecules) pathway, is difficult because it exists in various isoforms. The kinetics of defence genes expression vary according to the treatment: R and S overexpress their genes respectively 48 and 120 hours after pathogen inoculation, while F and SR do so before pathogen addition. Genes encoding PR1 (antimicrobial), PR4 (osmotin), PR5 (chitinases), and PR14 (chitinases) proteins are overexpressed, as are the hormonal signalling pathways regulating defence mechanisms. Furthermore, the genes encoding antioxidant enzymes, which play a key role in protecting against oxidative damage, are also overexpressed in all treatments. Finally, the study of secondary metabolites reveals an overproduction of caffeic acid and an underproduction of linoleamide, involved in the PAL and LOX pathways respectively, in plants treated at sowing 120 hours after pathogen inoculation. In conclusion, the new bacterial strain shows a promising biocontrol potential against tomato late blight through the elicitation of plant defences, particularly when applied to the soil. Further research is needed to optimise its efficiency and explore its application to other pathosystems. Although the defence mechanisms induced by the bacteria are only partially understood, this study paves the way for its future use as a biocontrol agent.