Thèse Impact d'Une Communauté Microbienne Bénéfique sur les Plantes Supérieures Modulation de l'Homéostasie du Fer chez Arabidopsis Thaliana Comme Modèle d'Étude. 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 : Guilhem DESBROSSES ORCID 0000000339659972
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Les plantes, dans leur environnement naturel, sont confrontées à une multitude de stress qui affectent leur croissance et leur développement. Par exemple, une plante peut être à la fois confrontée à une carence nutritionnelle, mais aussi à une maladie d'origine bactérienne. Parmi les carences nutritionnelles, la carence en fer à un impact majeur sur la croissance et le développement des plantes, car cet élément agit comme cofacteur pour de nombreuses métalloprotéines impliquées dans des processus physiologiques majeurs (e.g., photosynthèse, respiration). Afin de lutter contre cette carence nutritionnelle, les plantes ont mis en place différentes stratégies. Parmi ces dernières, la sécrétion de coumarines (métabolites spécialisés issus de la voie des phénylpropanoïdes) joue un rôle prépondérant à la fois pour le prélèvement du fer présent dans le sol, mais aussi pour la modulation de la composition des populations de microorganismes présent dans la rhizosphère (i.e., microbiote). Parmi les bactéries présente dans la rhizosphère, Pseudomonas simiae WCS417, présente la capacité de coloniser et de stimuler la croissance racinaire de plantules soumises à une carence en fer. L'objectif de la thèse est triple. Par des approches de génétique (e.g., analyse de mutants), de biologie moléculaire (e.g., analyse d'expression), de biochimie (i.e., analyses d'interactions) et de microbiologie il s'agira de (i) déterminer par quel mécanisme la souche P simiae WCS417 est capable de stimuler la nutrition ferrique de la plante, (ii) déterminer si une autre souche de Pseudomonas présente les mêmes spécificités (i.e., P ogarae F113) et (iii) explorer si la nutrition ferrique est également influencée en présence d'une communauté synthétique de Pseudomonas.

Comme pour les plantes, le fer est un élément nutritif essentiel au développement et à la croissance des bactéries de la rhizosphère. Par conséquent, en communauté et en interaction avec les plantes, s'installe une compétition pour cette ressource. Certaines espèces de bactéries appartenant au genre Pseudomonas comme Pseudomonas simiae WCS417 tirent parti de leurs voies métaboliques pour synthétiser des sidérophores qu'elle sécrètent dans la rhizosphère. Dans la rhizosphère, ces sidérophores chélatent le fer. Les chélats formés sont ensuite réimportés dans les bactéries. Cependant, ces sidérophores peuvent également améliorer la croissance des plantes (Kloepper et al., 1980), car ces dernières sont également capables de les importer (Vansuyt et al., 2007). La compétition entre bactéries et plantes pour le fer est donc double. Elle s'exerce au niveau de l'élément lui-même, mais également au niveau du fer chélaté. Cela pourrait s'interpréter comme une forme d'association bénéfique dans laquelle la bactérie fournit du fer en échange de métabolites carbonés à moins qu'il ne s'agisse d'un mécanisme permettant à la plante de contrôler la croissance d'une population bactérienne qui autrement pourrait avoir des effets délétères.
Une évidence moléculaire vient renforcer l'hypothèse de l'existence de cette compétition. Il a été observé qu'en présence de Pseudomonas simiae WCS417, Arabidopsis thaliana stimule fortement l'expression du transport d'influx de fer via IRT1 (Zamioudis et al., 2015). D'autres souches de bactéries bénéfiques sont capables également d'altérer la nutrition ferrique de la plante. Par exemple, en présence de Bacillus sp. GB03, on observe non seulement une stimulation de l'activité de la réductase ferrique FRO2 (qui participe à la réduction du Fe2+ en Fe3+, avant que celui-ci soit importé dans la racine via IRT1), mais aussi une accumulation de fer dans la plante qui est également dépendante de IRT1 (Zhang et al., 2009). La mise en évidence récurrente d'une altération de la nutrition ferrique et de l'homéostasie du fer chez la plante en présence d'une bactérie bénéfique élimine l'hypothèse qu'il s'agit d'une réponse spécifique mais qu'il pourrait s'agir d'une réponse plus générale, comme par exemple l'activation d'une voie immunitaire (Sun et al., 2023).
Toutes les souches de pseudomonas ne synthétisent pas de sidérophore. C'est notamment le cas de Pseudomonas ogarae F113, qui reste néanmoins une bactérie bénéfique pour la croissance des plantes, en particulier en la protégeant contre des maladies grâce à sa capacité de synthétiser des composés antimicrobien (Carroll et al., 1995). La diversité des mécanismes de prélèvement de fer chez les pseudomonas pourrait suggérer qu'il s'agit d'adaptations à des sols, ou des rhizosphères, plus ou moins riches en fer. A l'heure actuelle, il n'est toujours pas documenté comment ces souches, qui ne synthétisent pas des sidérophores, affectent ou contribuent la nutrition ferrique des plantes.
De récentes expériences conduites dans l'équipe d'accueil (i.e., FeROS) ont montré qu'en réponse à des bactéries de la rhizosphère qui appartiennent au genre des Pseudomonas, on observe des régulations différentielles de l'expression de gènes en relation avec le transport ou le stockage du fer (i.e., IRT1 et FER1, respectivement). Ces régulations pourraient être dépendantes de l'espèce de bactérie qui colonise le système racinaire, suggérant qu'il s'agit d'une propriété portée par les bactéries. Dans cette expérience, nous avons utilisé Pseudomonas ogarae F113 et Pseudomonas simiae WCS417. La comparaison des génomes de chacune de ces bactéries indique qu'elles diffèrent sur plusieurs voies métaboliques comme par exemple :
- la voie de l'ACC Déaminase, présente chez Pseudomonas ogarae F113, est absente chez Pseudomonas simiae WCS417),
- la capacité d'interagir avec le Fe3+ présent dans le milieu de culture grâce à la capacité de synthétiser un sidérophore à haute affinité pour le fer, présent chez Pseudomonas simiae WCS417 mais absente chez Pseudomonas ogarae F113 ).
Dans l'environnement naturel, les cas de colonisation de plantes par une bactérie unique sont très rares. Il s'agit soit d'une phytopathologie d'origine bactérienne ou alors, d'une symbiose spécifique (e.g., légumineuse et rhizobium). Cependant, les plantes sont, comme tous les eucaryotes pluricellulaires, colonisées par des communautés de microorganisme. Ceci signifie que les plantes répondent à des combinaisons de bactéries présentes au contact ou dans leur environnement. Quelle est la réponse de la plante lorsqu'elle est colonisée simultanément par des microorganismes qui individuellement ont des propriétés différentes est une question qui reste ouverte. Bien que l'hypothèse la plus simple est de proposer que la réponse de la plante soit le résultat de la somme des effets individuels de chaque souche, de récentes études tendent à indiquer que des propriétés émergentes spécifiques des communautés bactériennes soient en jeu.

Le projet de thèse a trois objectifs principaux qui seront traités en parallèle. Il s'agira tout d'abord de déterminer par quel mécanisme la souche Pseudomonas simiae WCS417 est capable de stimuler la nutrition ferrique de la plante. La description du mécanisme reposera sur l'utilisation d'une combinaison d'approches fonctionnelles en plante (génotype / milieu de culture) et moléculaire (identification d'intermédiaire de signalisation, rôle des coumarines). Le second objectif sera de déterminer si la souche Pseudomonas ogarae F113 est également capable de stimuler la nutrition ferrique et, dans l'éventualité d'une réponse positive, si cela repose sur un mécanisme similaire à celui requis pour Pseudomonas simiae WCS417. Enfin, il s'agira d'explorer si la nutrition ferrique est également influencée en présence d'une communauté synthétique de Pseudomonas. Ce dernier aspect du projet se fera en collaboration avec une équipe de recherche en écologie microbienne (UMR Ecologie Microbienne, UCBL, Lyon).

L'ensemble des expériences reposera sur des cultures in vitro de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ces milieux de culture seront modifiés soit par la concentration en fer disponible et/ou par la présence de bactéries (une population d'une seule souche ou alors, une communauté de plusieurs souches). Ce travail impliquera également des expériences de microbiologie pour suivre l'évolution de la population de bactéries colonisant les racines des plantes au cours de l'expérience.
Dans le cas de l'étude de l'impact sur la nutrition ferrique de la colonisation de systèmes racinaires par Pseudomonas simiae WCS417, nous étudierons l'altération de l'expression des gènes impliqués dans le transport et l'homéostasie du fer (utilisation de rapporteurs et RT-qPCR). Un focus particulier sera porté sur la régulation de l'expression du gène FER1 et du gène IRT1.
Une bactérie peut avoir un effet sur une plante selon plusieurs modes. Elle peut agir directement, donc au contact de la cellule végétales, pour, par exemple, injecter des protéines effectrices. Une bactérie peut également avoir des effets à distance sur une plantes, par exemple, via la sécrétion dans la rhizosphère de molécules ou de composés volatiles. Lorsque l'on observe des réponses moléculaires lors de la colonisation de la rhizosphère, il est donc important de déterminer si ces régulations nécessitent un contact de la bactérie ou si elles peuvent être obtenues à distance. Nous disposons de protocoles expérimentaux d'inoculations différents qui nous permettront de préciser le mode par lequel Pseudomonas simiae WCS417 active l'expression du rapporteur FER1.
Disposer du rapporteur FER1 induit par la colonisation par Pseudomonas simiae WCS417 est un outil adapté pour initier l'élucidation de la voie de transduction du signal. Or, nous disposons de lignées d'Arabidopsis exprimant des versions plus ou moins tronquées du promoteur de FER1 (Tissot et al., 2019). Leur utilisation dans le contexte du projet nous nous permettra de déterminer s'il existe une région particulière du promoteur requise pour l'induction de l'expression par Pseudomonas simiae WCS417. L'identification de cette région nous permettra de proposer l'implication de régulateurs transcriptionnels particuliers et de pouvoir remonter la voie de signalisation. Toutefois FER1 n'est pas le seul gène dont l'expression est induite par la colonisation par Pseudomonas simiae WCS417. Le gènes IRT1 est également induit (Zamioudis et al., 2014). Nous proposons de réaliser également une approche similaire sur le promoteur du gène IRT1 pour vérifier si les 2 gènes font potentiellement partie de la même cascade transcriptionnelle.
Élucider la façon dont une bactérie affecte la nutrition ferrique d'une plante nécessitera également de déterminer le profil d'expression d'un plus grand nombre de gènes impliqués dans la nutrition ferrique et l'homéostasie du fer dans les plantes. Il sera donc important d'élargir le travail réalisé sur les rapporteurs FER1 et IRT1 à d'autres gènes clés tels que FIT, ILR3 ou bHLH121, des facteurs de transcription majeurs dans la régulation de l'homéostasie du fer (Tissot et al., 2019 ; Gao et al., 2020), ou bien encore F6'H1, CYB82C4 et S8H, codant pour les enzymes de la voie de biosynthèse des coumarines impliquées dans le prélèvement du fer par les racines (Robe et al., 2021). Une question importante sera de replacer les activations d'expression dans ce contexte pour déterminer si les régulations observées sont le résultat de l'activation d'une réponse de type immunitaire ou au contraire une réponse de type adaptation. En effet, in vitro, beaucoup de bactéries qui colonisent les systèmes racinaires stériles inhibent la croissance des racines pendant 24 à 30h (Poitout et al., 2017). Cet effet biphasique peut s'interpréter comme le produit d'une réaction de défense suivi par une réponse adaptative. Dans l'éventualité où l'activation de la régulation transcriptionnelle semble être dépendante de l'immunité, nous étudierons si le niveau d'expression est affecté dans des fonds génétiques affectées dans la perception des bactéries (en priorité pour les lignées mutantes fls2, efr1, npr1). Enfin nous étudierons, notamment via l'utilisation de différents mutants, les effets des coumarines sur les réponses observées.
Le travail qui sera réalisé sur le modèle d'interaction Pseudomonas simiae WCS417 - Arabidopsis nous permettra de disposer de points de comparaison pour étudier l'effet de l'inoculation de Pseudomonas ogarae F113, souche qui ne semble pas synthétiser de sidérophores, sur la nutrition ferrique et l'homéostasie du fer chez Arabidopsis.
L'identification du mécanisme par lequel Pseudomonas simiae WCS417 améliore la nutrition ferrique chez Arabidopsis, l'éventuelle identification de réponses contrastées avec Pseudomonas ogarae F113, devrait nous permettre de débuter l'exploration de l'impact d'une communauté composée de souches aux performances différentes sur la nutrition ferrique des plantes et la régulation de son homéostasie du fer.

Physiologie végétale, microbiologie, biologie moléculaire et cellulaire