Thèse Interactions Plantes-Rhizobactéries Rôle de l'Exsudation dans le Dialogue et Implication de l'Holobionte dans la Résilience des Plantes Face aux Défis Climatiques. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau Laboratoire de recherche : IPSiM - Institut des Sciences des Plantes de Montpellier Direction de la thèse : Jean-Benoit PELTIER ORCID 0000000166566072 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59 De nombreuses études ont montré le rôle important des bactéries PGPR (plant growth promoting rhizobacteria) dans la croissance et le développement des plantes y compris en termes de résilience aux stress biotiques et abiotiques (Verma et al., 2018 ; Chieb & Gachomo, 2023). Cependant, les capacités potentielles de l'holobionte sont encore peu prises en compte en amélioration des plantes. La plante et les bactéries PGPR présentes dans la rhizosphère ou le rhizoplan interagissent via l'exsudation de composés majoritairement hydrosolubles ou volatils permettant à la plante de sélectionner un microbiote particulier (Rosier et al., 2018). Cette communication reste encore mal comprise et de nombreux composés de nature différentes semblent impliqués (métabolites secondaires, peptides, acides nucléiques...) (Zhour et al., 2022). En outre, certaines espèces, dont des accessions de blé, possèdent aussi des bactéries PGPR endophytes et diazotrophes impliquées dans la résistance au stress hydrique sans que, là-encore, les molécules impliquées dans le dialogue plante-bactéries aient été identifiées (Cherif-Silini et al., 2019 ; Ahlawat et al., 2022). Comment la plante permet l'intrusion de certaines PGPR ou comment la bactérie déjoue les défenses de la plante pour envahir parfois même les tissus de la graine ? L'analyse des composés exsudés à la fois par la plante et les bactéries PGPR rhizosphériques ou endophytes et l'analyse des transcriptomes correspondants lors de l'interaction devraient permettre de spécifier les composés et voies métaboliques impliquées dans le dialogue pour mieux tirer profit du microbiote via la sélection et/ou les pratiques culturales. Etat de l'art : Les exsudats sont la principale voie de communication de la plante avec son environnement. L'exsudation racinaire peut modifier le pH du sol, entraînant la solubilisation des nutriments sous des formes assimilables, la chélation de métaux ou de composés toxiques permettant leur absorption (par exemple le fer) ou leur immobilisation dans la rhizosphère (aluminium). L'exsudation permet aussi l'attraction d'un microbiote bénéfique, ainsi que la libération de substances toxiques pour les organismes pathogènes ou allélopathiques en général impliquées dans la compétition avec d'autres plantes (Vives-Peris et al., 2019). Les racines dégagent un répertoire diversifié de métabolites consommant fréquemment 10 à 20 % du carbone fixé par les plantes. La composition des exsudats est très variable selon la plante, le stade de développement et l'environnement. Par exemple, chez Arabidopsis thaliana cultivé en hydroponie, environ 100 composés ont été enregistrés, dont environ 40 ont été identifiés (Strehmel et al., 2014). Cette diversité métabolique suggère un langage chimique végétal complexe médiant d'innombrables interactions rhizosphériques. Par exemple, les coumarines et les benzoxazinoïdes sont des métabolites secondaires connus pour être exsudés par les racines et jouer un rôle dans la formation du microbiote racinaire (Stringlis et al., 2018; Cotton et al., 2019). De petits changements dans la structure des communautés microbiennes sélectionnées par le système racinaire peuvent entraîner de grandes altérations des phénotypes de l'hôte (Brinker et al., 2019). Il a également été montré que le microbiote de la rhizosphère induit chez l'hôte plusieurs signaux systémiques, qui déclenchent une reprogrammation métabolique et donc une exsudation différentielle des racines (Korenblum et al., 2020). Ce phénomène d'exsudation de métabolites racinaires induit de façon systémique est modulé par la colonisation microbienne locale des racines. Certains métabolites exsudés sont allélopathiques et sont utilisés par la plante en compétition pour la lumière ou la nutrition hydrominérale.
La sécrétion bactérienne est elle aussi un processus de libération de substances chimiques dans l'environnement. Les métabolites bactériens peuvent varier en fonction des souches bactériennes, de la profondeur du sol, des sources de carbone ainsi que du type de plantes associées avec elles (Sharrar et al., 2020). Au cours de la phase exponentielle de la croissance bactérienne, des métabolites majeurs tels que les acides aminés, les protéines, les acides nucléiques, les lipides et les glucides sont sécrétés (Sanchez & Demain, 2008). En phase stationnaire, qui est définie par l'état d'équilibre entre la division cellulaire et la mort cellulaire des bactéries, des métabolites secondaires sont accumulés, notamment différents types de composés antimicrobiens, des phytohormones, des phytostimulants, des exopolysaccharides (EPS) et des composés organiques volatils (COV) (Sunita et al., 2020).
Les sécrétions produites à la fois par les racines et les bactéries sont impliquées dans la signalisation chimique entre les deux partenaires (Ur Rehman et al., 2020). L'importance de l'investissement que la plante doit concéder pour la mise en place et l'entretien de telles interactions bénéfiques, en termes de quantités de composés carbonés transmis aux microorganismes partenaires, augmente lorsque les ions nutritifs sont faiblement disponibles dans le sol (Clarkson, 1985). De plus, un processus de chimiotaxie par les exsudats racinaires contribue à la sélection des espèces microbiennes constituant le microbiote rhizosphérique, dont la composition diffère de celle des communautés microbiennes vivant hors de la rhizosphère (Bulgarelli et al., 2013). La nature des exsudats impliqués dans cette communication chimique et les mécanismes sous-jacents sont mal caractérisés (Oburger et Jones, 2018). En modulant la composition des exsudats racinaires, les plantes peuvent modifier les propriétés du sol pour s'adapter et survivre dans des conditions défavorables. Une étude a montré que les bactéries PGPR telles que Pseudomonas putida KT2440 présentent une transcription accrue des gènes contrôlant le catabolisme et la chimiotaxie des benzoates, et les racines de maïs de type sauvage produisant du DIMBOA attirent beaucoup plus de P. putida que les racines du mutant bx1 déficient en DIMBOA (Neal et al., 2012). Ainsi, le DIMBOA joue un rôle chimique central dans le recrutement des rhizobactéries bénéfiques et de la communauté fongique par les plantes (Cotton et al., 2019). L'acide azélaïque, un acide dicarboxylique synthétisé par plusieurs céréales, joue un rôle dans la signalisation plante-bactérie. Il est aussi impliqué dans l'acquisition de la résistance systémique (SAR) chez les plantes (Lim et al., 2016). Plusieurs bactéries telles que Pseudomonas nitroreducens peuvent utiliser l'acide azélaïque comme seule source de carbone, et il a été démontré qu'AzeR est un répresseur bactérien qui répond spécifiquement à l'acide azélaïque et n'est présent que dans quelques genres de protéobactéries (Bez et al., 2020). De plus, l'acide azélaïque s'est avéré être un acteur clé de la résistance à Pseudomonas syringae chez Arabidopsis (Cecchini et al., 2019).
La promotion de la croissance des plantes ne semble pas toujours être strictement reliée à la colonisation des racines. D'une part, la colonisation des racines par une souche de PGPR donnée ne se traduit pas systématiquement par une stimulation de la croissance des plantes (Amaral et al., 2016). D'autre part, les PGPR peuvent produire des composés organiques volatils (COV) qui peuvent diffuser au loin dans le sol, à la fois par l'air et par l'eau, à travers les pores et ainsi atteindre les racines de l'hôte et favoriser la croissance de la plante. Par exemple, les souches de Bacillus peuvent produire des COV tels que le 2,3-butanediol et l'acétoïne, qui favorisent la croissance d'Arabidopsis par l'activation de la voie des cytokinines. L'application exogène de ces deux COV a montré un effet similaire à l'inoculation bactérienne sur la croissance des plantes, tandis que des souches de Bacillus mutantes, incapables de synthétiser ces COV, n'avaient pas la capacité de promouvoir la croissance des plantes (Ryu et al., 2003). D'autre part, il a également été démontré que les COV de Bacillus modulent l'architecture du système racinaire chez Arabidopsis (Gutiérrez-Luna et al., 2010) et que le 2,3-butanediol induisait également l'ISR (résistance systémique induite) par le biais d'une voie d'activation de l'éthylène (Ryu et al., 2005).
En résumé, plante et bactéries exsudent de nombreux composés dont certains ont été caractérisés et ont montré un effet important sur la plante mais ces analyses ont souvent été conduites de façon spécialisées ciblant essentiellement certains métabolites.
Originalité du projet : L'originalité du projet est de proposer l'analyse étendue des composés exsudés (métabolites dont les COV, protéines et peptides, acides nucléiques) et non restreinte seulement à une catégorie particulière de molécules (COV ou peptides...). En plus d'une analyse de base des composés exsudés par les bactéries et le blé suivie du fractionnement de ces composés et du test de ces fractions sur les deux organismes, l'analyse sera effectuée dans des conditions permettant d'apporter les exsudats de la plante dans la culture bactérienne et les exsudats bactériens sur les plantes permettant ainsi de différencier une exsudation constitutive d'une exsudation induite par la présence de l'autre partenaire ou de ses exsudats. La combinaison ensuite des changements du transcriptome lors de ces différentes confrontations rend cette approche à la fois unique et très complète.

Le projet repose sur les hypothèses suivantes :
- Au travers des molécules exsudées/échangées entre la plante et les microorganismes, une coopération dynamique s'installe entre bactéries bénéfiques (PGPR, Plant Growth Promoting Rhizobacteria) et plante conduisant au bénéfice mutuel. Au cours de la domestication du blé, certaines fonctions d'exsudation favorisant les interactions positives entre la plante et le microbiote ont pu avoir été altérées. Ces fonctions seraient potentiellement restorables via l'introgression des gènes impliqués depuis les espèces sauvages vers les cultivars élites.
- La complexité des molécules exsudées i) nécessite une analyse des différentes classes de molécules et ii) entraine des effets pléiotropes repérables par l'analyse du transcriptome.
Le projet vise à caractériser les molécules excrétées (exsudats) au niveau racinaire par le blé dur depuis les sous-espèces ancestrales d'amidonnier jusqu'aux variétés élites (transect de domestication) et en parallèle les molécules exsudées par des bactéries bénéfiques de type PGPR présentes dans la rhizosphère, le rhizoplan ou en tant qu'endophytes. Ces bactéries bénéfiques ont été sélectionnées dans des sols du croissant fertile (site originel de diversification du blé) et dans des sols de notre région. Les molécules impliquées dans ce dialogue (ou les voies métaboliques associées) jouant un rôle dans la structuration de la communauté microbienne, la nutrition et la résilience des plantes face aux stress biotiques et abiotiques pourraient être des cibles d'intérêt pour les sélectionneurs. A terme, la connaissance fine de cette communication permettra d'optimiser les apports des bactéries bénéfiques pour le blé ce qui facilitera une réduction des intrants et l'émergence d'une agriculture plus durable via la transition agroécologique.
Deux approches seront conduites en parallèle.
A- Une première approche sera focalisée sur l'analyse des exsudats de plante (40 variétés résumant les grandes étapes de la domestication depuis les sous-espèces T.t. dicoccoides, T.t. dicoccum, jusqu'aux durum pays et élites) permettant d'analyser l'impact de la domestication sur la fonction d'exsudation. Une analyse des composés volatils sera suivie d'une analyse des métabolites, peptides et protéines purifiés à partir de colonnes SPE (solid-phase extraction). Ensuite, les exsudats constitutifs de 2 blés (un blé dur élite et un blé ancestral) et de 2 bactéries (une rhizosphérique et une endophyte) seront utilisés pour la récolte d'exsudats induits chez les bactéries et les blés respectivement en les ajoutant à la solution d'une ou de l'autre des cultures. Enfin, la plante et la bactérie seront mises en culture simultanément et permettront l'analyse des exsudats de confrontation. L'analyse de ces 3 populations d'exsudats permettra de mieux cerner la dynamique d'exsudation et de se focaliser sur les molécules les plus prometteuses. Des fractions chromatographiques seront générées permettant de décomplexifier les échantillons et leur effet sera testé sur la croissance et le développement de la plante ou de la bactérie suivant leur origine (comme dans Zhour et al., 2022).
Une seconde approche consistera dans l'analyse du transcriptome à la fois racinaire et bactérien lorsque les partenaires sont confrontés entre eux ou simplement après contact avec les exsudats de l'autre partenaire. Un séquençage RNAseq sera réalisé en collaboration avec le plateau génotypage séquençage robotique (AGAP, Montpellier) et la plateforme GenoToul de Toulouse. Les gènes ou voies métaboliques induites ou réprimées devraient permettre de mieux comprendre les différentes étapes de la construction et de l'entretien du dialogue entre plante et bactéries. Après repérage de ces gènes, dans un premier temps, des mutants des bactéries étudiées seront produits via l'édition de génome (CRISPR-Cas9) et l'action de ces gènes dans l'effet PGPR vérifiée.

Le candidat doit être titulaire d'un Master en biologie des plantes ou équivalent