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 Julien Lang To cite this version: Julien Lang. 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. Sciences agricoles. Université Paris Sud - Paris XI, 2013. Français. ￿NNT: 2013PA112300￿. ￿tel-00924939￿ HAL Id: tel-00924939 https://theses.hal.science/tel-00924939 Submitted on 7 Jan 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. UNIVERSITE PARIS-SUD 11 UFR SCIENTIFIQUE D’ORSAY ECOLE DOCTORALE : SCIENCES DU VEGETAL THESE Présentée par Julien Lang Pour obtenir le grade de DOCTEUR EN SCIENCES DE L’UNIVERSITE PARIS-SUD 11 Discipline : Biologie Intrication des signalisations opine, quorum- sensing et GABA chez le phytopathogène Agrobacterium tumefaciens : conséquences sur la (cid:272)olo(cid:374)isatio(cid:374) de l’hôte et la diss(cid:288)mination des gènes plasmidiques Soutenance le 6 décembre 2013, devant le jury composé de : MM. JACQUES Marie-Agnès, Directrice de recherche - INRA Rapporteur M. OTTEN Léon , Professeur - Université Strasbourg Rapporteur MM. SHYKOFF Jacqui, Directrice de recherche - CNRS Président du jury MM. HOMMAIS Florence, Maitre de conférences - Université Lyon 1 Examinateur M. NOEL Laurent, Chargé de recherche - CNRS Examinateur M. FAURE Denis, Directeur de recherche - CNRS Directeur de thèse ‘e(cid:272)he(cid:396)(cid:272)hes effe(cid:272)tu(cid:288)es da(cid:374)s l(cid:859)(cid:288)(cid:395)uipe ‘hizosph(cid:287)(cid:396)e de l(cid:859)I(cid:374)stitut des “(cid:272)ie(cid:374)(cid:272)es du V(cid:288)g(cid:288)tal (cid:894)ISV), UPR 2355, Avenue de la Terrasse, 91198 Gif-sur-Yvette, sur financement CNRS. Je remercie : De(cid:374)is Fau(cid:396)e et Yves Dessau(cid:454) pou(cid:396) (cid:373)’avoi(cid:396) fait (cid:272)o(cid:374)fia(cid:374)(cid:272)e, do(cid:374)(cid:374)(cid:288) l’oppo(cid:396)tu(cid:374)it(cid:288) de (cid:396)(cid:288)alise(cid:396) le travail présenté ici, et épaulé durant tout son long. Les membres passés (Nicolas, Najat, Amélie, Mélanie, Sara) et présents (Catherine, Samuel, Ya(cid:374)(cid:374)i(cid:272)k, J(cid:288)(cid:396)(cid:288)(cid:373)(cid:455), A(cid:374)tho(cid:374)(cid:455), Sli(cid:373)a(cid:374)e(cid:895) de l’(cid:288)(cid:395)uipe pou(cid:396) leu(cid:396)s (cid:272)o(cid:374)seils s(cid:272)ie(cid:374)tifi(cid:395)ues et pou(cid:396) avoi(cid:396) rendu mon cadre de travail si agréable au cours de ces trois années. Les stagiai(cid:396)es (cid:894)Pauli(cid:374)e et St(cid:288)pha(cid:374)ie(cid:895) (cid:395)ui (cid:373)’o(cid:374)t aid(cid:288) à la paillasse et (cid:373)’o(cid:374)t app(cid:396)is à développer mes qualités pédagogiques. Tous les (cid:373)e(cid:373)(cid:271)(cid:396)es de l’ISV (cid:395)ui, à u(cid:374) (cid:373)o(cid:373)e(cid:374)t ou u(cid:374) aut(cid:396)e, o(cid:374)t fa(cid:272)ilit(cid:288) (cid:373)o(cid:374) t(cid:396)avail, e(cid:374) particulier le service administratif (Christine, Arthur, Karine, François, Jocelyne et Olivier), les informaticiens (Philippe et Célestin), le pôle Imagerie (Marie-Noëlle, Spencer, Mick, et Jessica) et les serristes (Amandine, Véronique et Guillaume). L’e(cid:374)se(cid:373)(cid:271)le du g(cid:396)oupe th(cid:288)(cid:373)ati(cid:395)ue « Plantes & Microbes » (vous vous (cid:396)e(cid:272)o(cid:374)(cid:374)ait(cid:396)ez…(cid:895) pou(cid:396) nos rendez-vous bimensuels qui ont toujours été très intéressants et pour vos remarques toujours pertinentes. Les (cid:373)e(cid:373)(cid:271)(cid:396)es de (cid:373)o(cid:374) ju(cid:396)(cid:455) de th(cid:287)se pou(cid:396) le te(cid:373)ps (cid:395)u’ils au(cid:396)o(cid:374)t (cid:272)o(cid:374)sa(cid:272)(cid:396)(cid:288) à la le(cid:272)tu(cid:396)e de (cid:272)e manuscrit et pour les discussions enrichissantes qui en résulteront. A(cid:396)(cid:373)elle et L(cid:288)o(cid:374)i(cid:374)e (cid:395)ui sa(cid:374)s v(cid:396)ai(cid:373)e(cid:374)t (cid:272)o(cid:373)p(cid:396)e(cid:374)d(cid:396)e (cid:272)e (cid:395)ue je faisais (cid:373)’o(cid:374)t toujou(cid:396)s soute(cid:374)u dans mon travail et ont évité que la rédaction de ce manuscrit ne se transforme en pensum. Je vous aime. Liste des abréviations ACP Acyl Carrier Protein ADN Acide Désoxyribonucléique ADN-T ADN-Transfert ARN Acide Ribonucléique At Agrobacterium tumefaciens DNA Deoxyribonucleic Acid GABA Gamma-Amino Butyric Acid GBL Gamma-Butyro Lactone GHB Gamma-Hydroxy Butyrate Kd Constante de dissociation (dissociation constant) Mb Megabase OC6HSL 3-oxo-hexanoylhomoserine lactone OC8HSL 3-oxo-octanoylhomoserine lactone PAMP Pathogen-Associated Molecular Pattern PBP Periplasmic Binding Protein PCR Polymerase Chain Reaction PTI PAMPs-Triggered Immunity QS Quorum-Sensing RNA Ribonucleic Acid SAM S-adenosylmethionine SSA Succinic SemiAldehyde TCA Tricarboxylic Acid T-DNA Transfer-DNA Ti Tumor inducing UFC Unité formant colonie Table des matières Avant-propos 1 Chapitre I. Introduction générale 5 1. L’esp(cid:287)(cid:272)e Agrobacterium tumefaciens 5 1.1. Taxinomie 5 1.2. Génome 6 2. Les interactions entre A. tumefaciens et plantes hôtes 8 2.1. Mécanismes infectieux 8 2.2. Réponses de défense de la plante 10 2.3. Développement tumoral 12 (cid:1006).(cid:1008). “(cid:455)(cid:373)ptô(cid:373)es de la (cid:373)aladie et ga(cid:373)(cid:373)e d(cid:859)hôtes d(cid:859)A. tumefaciens 15 2.5. Rôle des opines dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 16 2.5.1. Les différentes opines et la classification des plasmides Ti 16 (cid:1006).(cid:1009).(cid:1006). Le (cid:272)o(cid:374)(cid:272)ept d(cid:859)opi(cid:374)e ou comment A. tumefaciens transforme la tumeur végétale en niche écologique 19 2.5.3. Le quorum-sensing (QS) 20 Article 1 (Review) : Common and uncommon characteristics of Agrobacterium tumefaciens quorum-sensing (version provisoire) 21 3. Bibliographie 43 Chapitre II. Fonctions régulées par les agrocinopines chez A. tumefaciens C58 55 1. Contexte scientifique 55 2. Présentation des travaux 56 3. Contributions 56 Article 2 : Concerted transfer of the virulence Ti plasmid and companion At plasmid in the Agrobacterium tumefaciens-induced plant tumor (version soumise pour publication) 59 Chapit(cid:396)e III. Ca(cid:396)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)isatio(cid:374) des p(cid:396)ot(cid:288)i(cid:374)es de liaiso(cid:374) à la (cid:374)opali(cid:374)e et à l’o(cid:272)topi(cid:374)e (cid:272)hez les sou(cid:272)hes C(cid:1009)8 et B(cid:1010) d’A. tumefaciens 85 1. Contexte scientifique 85 2. Présentation des travaux 86 3. Contributions 87 Article 3 : The structural basis of the nopaline sensor NocT which contributes to the selective advantage of Agrobacterium tumefaciens C58 in plant tumors (version provisoire) 89 Addendum: Les caractéristiques structurales et phylogéniques de la protéine de liaison à l’o(cid:272)topi(cid:374)e O(cid:272)(cid:272)J (cid:272)o(cid:374)t(cid:396)i(cid:271)ue(cid:374)t à l’ava(cid:374)tage s(cid:288)le(cid:272)tif d’Agrobacterium tumefaciens B6 au sein des tumeurs végétales 113 Chapit(cid:396)e IV. R(cid:288)gulatio(cid:374) du QS d’A. tumefaciens par le GABA et la lactonase AttM 125 1. Contexte scientifique 125 2. Présentation des travaux 125 3. Contributions 126 Article 4 : Plant GABA contents and bacterial lactonase AttM contribute to quorum- quenching in populations of Agrobacterium tumefaciens colonizing Arabidopsis thaliana tumors 127 Chapitre V. Discussion générale et futures recherches 149 1. Intrication des signalisations opine, QS et GABA dans les interactions A. tumefaciens- plantes hôtes 150 1.1. La signalisation opine dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 150 (cid:1005).(cid:1005).(cid:1005). C(cid:396)(cid:288)atio(cid:374) des (cid:374)i(cid:272)hes d(cid:859)opi(cid:374)es au sei(cid:374) des tu(cid:373)eurs 150 125 (cid:1005).(cid:1005).(cid:1006). Capa(cid:272)it(cid:288) d(cid:859)A. tumefaciens à importer les opines 152 1.1.3. Fonctions des opines dans la cellule bactérienne 153 1.2. Les signalisations GABA et QS dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 154 1.2.1. Fonctions du QS 154 1.2.2. Régulation du QS par le GABA 155 (cid:1005).(cid:1007). ‘ôle des plas(cid:373)ides At et Ti da(cid:374)s l(cid:859)adaptatio(cid:374) d(cid:859)A. tumefaciens à l(cid:859)e(cid:374)(cid:448)i(cid:396)o(cid:374)(cid:374)e(cid:373)e(cid:374)t tumoral 157 1.3.1. Fonctions encodées par les plasmides Ti et At 158 1.3.2. Différences dans la signalisation de conjugaison des plasmides Ti et At 159 1.3.3. Relation entre plasmide Ti, plasmide At, hôte bactérien et hôte végétal 160 2. Analyse de nouveaux aspects des interactions entre A. tumefaciens et plantes hôtes 164 2.1. Présentation de la démarche expérimentale 164 2.2. Les glucosinolates dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 168 2.3. Les défensines dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 170 2.4. Les homologues de nodulines dans les interactions A. tumefaciens-plantes hôtes 171 3. Bibliographie 174 Avant-propos La bactérie Agrobacterium tumefaciens, l(cid:859)age(cid:374)t (cid:288)tiologi(cid:395)ue de la galle du (cid:272)ollet (cid:894)tu(cid:373)eu(cid:396) végétale) (Fig. 1), est bien connue pour sa capacité à transformer certaines cellules eu(cid:272)a(cid:396)(cid:455)otes a(cid:448)e(cid:272) u(cid:374)e pa(cid:396)tie de so(cid:374) ADN g(cid:288)(cid:374)o(cid:373)i(cid:395)ue, l(cid:859)ADN-T. Cette découverte faite il y a environ 50 ans a (cid:288)t(cid:288) à l(cid:859)o(cid:396)igi(cid:374)e d(cid:859)u(cid:374)e a(cid:448)a(cid:374)(cid:272)(cid:288)e (cid:271)iote(cid:272)h(cid:374)ologi(cid:395)ue sa(cid:374)s p(cid:396)(cid:288)(cid:272)(cid:288)de(cid:374)t pe(cid:396)(cid:373)etta(cid:374)t pou(cid:396) la p(cid:396)e(cid:373)i(cid:287)(cid:396)e fois l(cid:859)o(cid:271)te(cid:374)tio(cid:374) d(cid:859)o(cid:396)ga(cid:374)is(cid:373)es (cid:448)(cid:288)g(cid:288)tau(cid:454) g(cid:288)(cid:374)(cid:288)ti(cid:395)ue(cid:373)e(cid:374)t (cid:373)odifi(cid:288)s. Depuis lo(cid:396)s les p(cid:396)e(cid:373)i(cid:287)(cid:396)es (cid:288)tapes de l(cid:859)i(cid:374)te(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) e(cid:374)t(cid:396)e la (cid:271)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)ie et sa pla(cid:374)te hôte o(cid:374)t (cid:288)t(cid:288) l(cid:859)o(cid:271)jet de nombreuses études visant à identifier les acteurs principaux impliqués dans ce processus de transfert génétique interrègne. Figure 1: Tumeurs végétales et agent étiologique de la galle du collet. A-B Tumeurs végétales (3 semaines post- infection) induites sur une tige de tabac entre le premier et le deuxième nœud foliaire (A) et à la base d(cid:859)une tige d(cid:859)Arabidopsis thaliana (B). C Image d(cid:859)une cellule d(cid:859)Agrobacterium tumefaciens avec pili obtenue par microscopie électronique à transmission (J. 1cm 20mm 0.5µm Marion, Plate-forme Microscopie d(cid:859)Imagif, Gif-sur-Yvette). Des barres d(cid:859)(cid:288)chelle indicatives sont présentées. D(cid:859)aut(cid:396)es (cid:272)a(cid:396)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)isti(cid:395)ues o(cid:396)igi(cid:374)ales de l(cid:859)asso(cid:272)iatio(cid:374) e(cid:374)t(cid:396)e A. tumefaciens et plantes hôtes ont, elles aussi, été largement anal(cid:455)s(cid:288)es. Il (cid:455) a u(cid:374)e t(cid:396)e(cid:374)tai(cid:374)e d(cid:859)a(cid:374)(cid:374)(cid:288)es la (cid:373)ise e(cid:374) (cid:288)(cid:448)ide(cid:374)(cid:272)e chez la bactérie de gènes codant pour la synthèse et la dégradation de métabolites appelés opi(cid:374)es (cid:272)o(cid:374)duisit à la fo(cid:396)(cid:373)ulatio(cid:374) du (cid:272)o(cid:374)(cid:272)ept d(cid:859)opi(cid:374)e stipula(cid:374)t (cid:395)ue (cid:272)es petites (cid:373)ol(cid:288)(cid:272)ules, formées dans les cellules (cid:448)(cid:288)g(cid:288)tales t(cid:396)a(cid:374)sfo(cid:396)(cid:373)(cid:288)es, so(cid:374)t des (cid:373)(cid:288)diateu(cid:396)s (cid:272)lefs de l(cid:859)i(cid:374)te(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374) e(cid:374)t(cid:396)e la (cid:271)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)ie et la pla(cid:374)te hôte. Le (cid:272)o(cid:374)(cid:272)ept d(cid:859)opi(cid:374)e postule (cid:374)ota(cid:373)(cid:373)e(cid:374)t (cid:395)ue les opi(cid:374)es produites dans les tumeurs végétales confèrent un avantage sélectif aux populations colonisat(cid:396)i(cid:272)es d(cid:859)A. tumefaciens capables de les assimiler. Complétant cette vue, il a été montré plus récemment que certaines opines, nommées opines conjugatives, jouaient un 1 rôle de signalisation important chez A. tumefaciens en initiant le processus de communication intercellulaire (quorum-sensing) qui contrôle la conjugaison ainsi que la réplication végétative du plasmide Ti. En dépit (et peut-être en raison) de ces nombreux travaux et découvertes, A. tumefaciens (cid:272)o(cid:374)ti(cid:374)ue d(cid:859)(cid:289)t(cid:396)e pou(cid:396) les s(cid:272)ie(cid:374)tifi(cid:395)ues u(cid:374) o(cid:396)ga(cid:374)is(cid:373)e fas(cid:272)i(cid:374)a(cid:374)t à (cid:288)tudie(cid:396). Il est à (cid:374)ote(cid:396) (cid:395)u(cid:859)e(cid:374) 2012 dans le top 10 des bactéries phytopathogéniques les plus intéressantes publié par le journal « Molecular Plant Pathology », A. tumefaciens occupait la troisième position, non seule(cid:373)e(cid:374)t pa(cid:396)(cid:272)e (cid:395)u(cid:859)elle (cid:272)o(cid:374)ti(cid:374)uait d(cid:859)(cid:289)t(cid:396)e u(cid:374) outil puissa(cid:374)t de t(cid:396)a(cid:374)sg(cid:288)(cid:374)(cid:287)se (cid:448)(cid:288)g(cid:288)tale, (cid:373)ais (cid:288)gale(cid:373)e(cid:374)t pa(cid:396)(cid:272)e (cid:395)u(cid:859)elle (cid:396)ep(cid:396)(cid:288)se(cid:374)tait u(cid:374) e(cid:454)(cid:272)elle(cid:374)t (cid:373)od(cid:287)le pou(cid:396) d(cid:288)(cid:272)hiff(cid:396)e(cid:396) les i(cid:374)te(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374)s entre bactéries et plantes. Dans ce manuscrit de thèse, nous présenterons de nouveaux aspects des interactions entre A. tumefaciens et plantes hôtes. Cinq grandes parties seront traitées. La première sera une introduction générale sur A. tumefaciens et les interactions entre A. tumefaciens et sa plante hôte. Elle inclura une revue approfondie sur le quorum-sensing chez A. tumefaciens. La deu(cid:454)i(cid:287)(cid:373)e pa(cid:396)tie se(cid:396)a (cid:272)o(cid:374)stitu(cid:288)e d(cid:859)u(cid:374)e a(cid:374)al(cid:455)se t(cid:396)a(cid:374)s(cid:272)(cid:396)ipto(cid:373)i(cid:395)ue glo(cid:271)ale d(cid:859)u(cid:374)e lig(cid:374)(cid:288)e (cid:373)uta(cid:374)te d(cid:859)A. tumefaciens (cid:395)ui (cid:373)i(cid:373)e les effets d(cid:859)u(cid:374)e e(cid:454)positio(cid:374) à u(cid:374)e opi(cid:374)e (cid:894)les agrocinopines). Ce travail a notamment permis de démontrer la co-régulation des (cid:272)o(cid:374)jugaiso(cid:374)s du plas(cid:373)ide Ti et du plas(cid:373)ide At d(cid:859)A. tumefaciens. La t(cid:396)oisi(cid:287)(cid:373)e pa(cid:396)tie a(cid:374)al(cid:455)se(cid:396)a le (cid:396)ôle de deu(cid:454) se(cid:374)seu(cid:396)s d(cid:859)opi(cid:374)es (cid:894)No(cid:272)T : senseur de la nopaline et OccJ : se(cid:374)seu(cid:396) de l(cid:859)o(cid:272)topi(cid:374)e(cid:895) da(cid:374)s la (cid:272)apa(cid:272)it(cid:288) de (cid:272)olo(cid:374)isatio(cid:374) des tu(cid:373)eu(cid:396)s par A. tumefaciens. Nous avons ainsi pu expérimentalement démontrer que la capacité des (cid:271)a(cid:272)t(cid:288)(cid:396)ies à assi(cid:373)ile(cid:396) des opi(cid:374)es leu(cid:396) (cid:272)o(cid:374)f(cid:288)(cid:396)ait u(cid:374) a(cid:448)a(cid:374)tage s(cid:288)le(cid:272)tif da(cid:374)s l(cid:859)e(cid:374)(cid:448)i(cid:396)o(cid:374)(cid:374)e(cid:373)e(cid:374)t tu(cid:373)o(cid:396)al. Ce t(cid:396)a(cid:448)ail a e(cid:374) out(cid:396)e (cid:271)(cid:288)(cid:374)(cid:288)fi(cid:272)i(cid:288) d(cid:859)u(cid:374)e (cid:272)olla(cid:271)o(cid:396)atio(cid:374) a(cid:448)e(cid:272) u(cid:374)e (cid:288)(cid:395)uipe de biologistes st(cid:396)u(cid:272)tu(cid:396)au(cid:454) (cid:395)ui a o(cid:271)te(cid:374)u les p(cid:396)e(cid:373)i(cid:287)(cid:396)es st(cid:396)u(cid:272)tu(cid:396)es de se(cid:374)seu(cid:396)s d(cid:859)opi(cid:374)es e(cid:374) asso(cid:272)iatio(cid:374) a(cid:448)e(cid:272) leurs ligands. La quatrième partie traitera de la régulation du quorum-sensing par le métabolite végétal GABA et la lactonase bactérienne AttM. Cette a(cid:374)al(cid:455)se s(cid:859)appuie(cid:396)a su(cid:396) des do(cid:374)(cid:374)(cid:288)es transcriptomiques et métabolomiques ainsi que sur des expériences histologiques et des tests de conjugaison in planta. 2