Thèse Plante Pathogène et Microbiome l'Appel à l'Aide Sous le Prisme des Investigations Omiques H/F - 34

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : PHIM - Plant Health Institute Montpellier
Direction de la thèse : Gilles BENA
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Le concept du Cry for help suggère que les plantes, quand elles subissent un stress abiotique ou biotique, recrutent un microbiome spécifique, c'est-à-dire une communauté de micro-organismes associée aux racines ou aux feuilles, pour combattre ce stress. Cette hypothèse repose sur la capacité de la plante à structurer un microbiome favorable via la modulation de sa production de métabolites notamment racinaires. L'objet de cette thèse est de tester et d'approfondir ce concept d'une part en analysant l'évolution du microbiome lorsque la plante est sous la pression de différents pathogènes foliaires et d'étudier les mécanismes sous-jacents, que cela soit les variations des métabolites primaires et secondaires racinaires du riz, leurs impacts sur les populations bactériennes et la réponse transcriptomique du riz.
La thèse reposera sur des approches expérimentales de confrontations entre le riz et des pathogènes foliaires bactériens, fongiques et viraux. Une approche d'évolution expérimentale, via des cycles successifs d'inoculations de pathogènes, sera mise en place afin de renforcer la réponse à la sélection du microbiome.
A chaque cycle, le microbiome racinaire et les métabolites primaires et secondaires retrouvés dans la rhizosphère seront caractérisés par chromatographie et spectrométrie de masse. En procédant à des annotations chimiques par comparaisons avec des bases de données, nous pourrons déterminer les composés impliqués préférentiellement dans le recrutement du microbiome.
L'analyse métagénomique permettra de cibler les taxons microbiens et/ou les fonctions sélectionnés par la plante induisant une meilleure résistance au pathogène, la comparaison entre pathosystèmes permettant de distinguer les réponses généralistes aux réponses spécifiques.
Enfin, des approches transcriptomiques permettront de décrypter la réponse de la plante en présence de microbiomes évolués ou non, afin de déterminer quels gènes et fonctions sont impliqués dans l'interaction et la résistance de la plante.
Ce projet ouvre la porte vers des applications potentielles en biocontrôle des maladies.

L'agriculture moderne est issue de la révolution verte, qui a débuté dans les années 1960, et repose sur le triptyque amélioration variétale, irrigation et traitements chimiques (pesticides et engrais). Depuis plusieurs années, les effets des traitements chimiques sur l'environnement et la santé sont, à juste titre, de plus en plus critiqués et rejetés par la société civile. Les solutions envisagées pour pallier cet arrêt à moyen terme des traitements chimiques est l'utilisation du microbiome. Le remplacement des produits agrochimiques par des approches basées sur le microbiome dans l'agriculture offre plusieurs avantages potentiels, notamment la durabilité environnementale, la santé des sols, la résilience des cultures, mais aussi la santé humaine et l'atténuation du changement climatique. Nous pensons que les résultats de cette thèse, en particulier en ce qui concerne la gestion du microbiome liée à la présence d'agents pathogènes des plantes, présenteront à terme un grand intérêt pour les entreprises privées en termes de collaborations potentielles. Cette thèse permettra la découverte pour la première fois, des marqueurs prédictifs des interactions plantes-sol-pathogènes qui peuvent également être utilisés comme outils de surveillance des sols et des plantes et susciter ainsi un vif intérêt.
Sur base de la littérature scientifique, ce sujet de thèse a été construit en ciblant les points critiques qui n'ont pas encore été étudiés dans notre compréhension des interactions entre le microbiome, les pathogènes foliaires et les plantes. Par exemple, il n'y a jamais eu de caractérisation des exsudats racinaires in situ, c'est-à-dire du sol de la rhizosphère, les études précédentes s'étant limitées à des extraits de milieux liquides ou d'agarose, c'est-à-dire dans des conditions très artificielles ; Aucune étude n'a analysé la réponse de la plante, d'un point de vue moléculaire, à un changement de son propre microbiome ; Il n'y a actuellement que très peu d'étude sur la variation de la modification des exsudats racinaires et du microbiome en fonction du pathogène pour une même espèce de plante. Enfin, aucune étude n'a considéré la dynamique temporelle de la modification des exsudats et du microbiome d'une plante soumise à un pathogène. Afin de répondre à ces questions originales et jamais abordées auparavant, la thèse combinera des approches métagénomiques (microbiome), transcriptomiques (ARN) et métabolomiques (exsudats) qui seront complémentaires. Nous ajoutons également une composante dynamique avec l'approche de l'évolution expérimentale, donnant à cette étude une portée temporelle sans précédent.

Les objectifs généraux de la thèse sont de répondre à plusieurs hypothèses de recherche spécifiques :

Hyp1 : La plante peut moduler ses exsudats racinaires (rhizochimie) lorsqu'elle est soumise à un pathogène foliaire, et faire varier ces exsudats en fonction du type de pathogène foliaire qui l'attaque.
D'après la littérature, nous savons déjà que les exsudats racinaires déposés à l'interface rhizosphérique de la plante sont les principaux facteurs de modulation du microbiome. Cependant, le très faible nombre d'études sur ces exsudats et le manque de comparaisons entre des plantes soumises à un même pathogène ou une même plante soumise à des pathogènes différents ne permettent pas aujourd'hui de déterminer s'il existe des variations dans la production de ces exsudats, de quelle nature et leurs spécificités. Nous faisons l'hypothèse que la régulation par la plante de sa production d'exsudats au niveau racinaire est suffisamment fine et subtile pour moduler le microbiome en fonction du pathogène présent. Bien entendu, cela n'exclut pas le fait qu'il doit y avoir un noyau d'exsudats qui ne varie pas, ainsi qu'un noyau d'exsudats qui serait produit en phase de stress (quel que soit le stress), mais nous ajoutons l'hypothèse que nos approches d'évolution expérimentale (voir ci-dessous) nous permettront de détecter des variations entre pathogènes.

Hyp2 : Plusieurs cycles d'évolution expérimentales permettent d'amplifier et de mettre en évidence la réponse du microbiome racinaire aux modifications d'exsudats de la plante soumis à stress biotique.
Nous faisons ici l'hypothèse que notre protocole d'évolution expérimentale nous permettra de détecter des variations dans la composition et la structure du microbiome après plusieurs cycles de sélection, lorsqu'un seul cycle ne permet de détecter que des modifications très ténus. Ces cycles permettront de renforcer au cours du temps la structuration du microbiome et donc d'amplifier ce qui sera significativement détectable dans les analyses de métagénomique. Après avoir tester cette hypothèse sur un pathosystème, nous relancerons cette approche sur plusieurs pathosystèmes différentes afin de détecter des différences de réponses de la plante et du microbiome selon le pathogène utilisé. Cela permettra également d'étudier la dynamique de mise en place du microbiome sélectionné, que cela soit en termes de composition taxonomique ou fonctionnelle.

Hyp3 : La plante présente une réponse moléculaire spécifique lorsqu'elle est associée à un microbiome sélectionné.
L'appel à l'aide suppose que la plante recrute un microbiome spécifique qui, en retour, lui permet de mieux résister au stress qu'elle subit. Dans le cas d'un pathogène foliaire, cela suppose que la plante, dans l'environnement de son microbiome modifié, réagisse d'une manière ou d'une autre pour induire une meilleure résistance au pathogène. C'est cette hypothèse que nous faisons ici, à savoir que nous pourrons déterminer, en plaçant la plante soit avec un microbiome naïf, soit avec un microbiome sélectionné, les voies métaboliques et moléculaires modifiées conférant à la plante une résistance modifiée au pathogène. Cet effet de rétroaction (la réponse de la plante à un microbiote dont elle a initié la modification) est l'hypothèse la plus probable à tester pour comprendre l'ensemble de l'appel à l'aide.

Différentes approches, liées entre elles, vont structurer cette thèse :
Le sujet portera sur le riz, une plante d'un intérêt économique et social majeur, mais aussi une plante qui est de plus en plus utilisée comme modèle dans les études sur les interactions avec le microbiome.

Nous utiliserons plusieurs pathogènes foliaires (bactéries, fongiques et viraux) sur lesquels la thèse se focalisera. Les pathogènes foliaires et leurs protocoles d'inoculation qui seront utilisés sont tous largement étudiés au sein de l'unité PHIM et leur inoculation en chambre de culture est maîtrisée au sein de l'équipe BRIO.

L''évolution expérimentale du microbiome sera dans un premier temps réalisé sur un seul pathosystème afin d'affiner les temps de prélèvement, le choix du sol initial et la composition des sols intermédiaires à utiliser.
Dans un second temps, la manip sera relancée en incluant les différents pathosystème. L'évolution expérimentale se fera sur une durée de 6 mois, avec prélèvement à chaque cycle d'échantillons de sol/racines/feuille pour des analyses ultérieures, et mesures phénotypiques.

La composition du microbiome sera déterminée par séquençage barcoding, en se concentrant sur les communautés bactériennes (ARNr 16S, rpoB) et fongiques (ITS). Les données seront analysées avec le code du pipeline R DADA2 et ses diverticules déjà utilisés et maitrisés par l'équipe.

La dynamique des métabolomes solubles du riz en réponse aux pathogènes avec différentes stratégies d'infection sera étudiée en utilisant des approches métabolomiques (chromato/MSMS) utilisées à Bordeaux. L'analyse des données se fera par pipeline Metaboanalyste et annotations expertes.
Ces analyses, associées à des données phénotypiques (dont mesures de symptômes par reconnaissances automatique d'image) permettront une caractérisation détaillée des réponses métaboliques et des mécanismes d'adaptation au niveau des feuilles, racines et de la rhizosphère.

La thèse portera par ailleurs sur l'effet de rétroaction du microbiome sur la physiologie de la plante au niveau moléculaire. À chaque cycle de sélection, les feuilles et les racines de chaque plante pour chaque condition seront prélevées pour l'extraction de l'ARN et la synthèse de l'ADNc. Les réponses moléculaires seront analysées selon deux approches, soit ciblé par fluidigm de 96 gènes impliqués dans les réactions de défenses de la plante, soit sans a priori par approche RNA-Seq.