Étude des deux voies de signalisation de l’UPR (Unfolded Protein Response) dans les interactions plantes microorganismes

1. Contexte de la thèse

Les plantes sont soumises à de nombreux stress biotiques et abiotiques qui entrainent une baisse de la productivité. De ce fait, l’utilisation de traitements phytosanitaires et d’engrais synthétiques est largement répandue pour maintenir le rendement et la rentabilité des systèmes agricoles. Les risques pour l’environnement et la santé humaine liés à ces pratiques ne sont plus à démonter et l’agriculture doit évoluer vers de nouvelles méthodes alternatives. Dans un contexte agroécologique, différentes voies d’amélioration culturales sont envisagées comme i. l’amélioration variétale en vue d’obtenir des plantes plus résistantes ou ii. l’utilisation de symbiose mycorhizienne pour améliorer la résilience des plantes.

La mise en place de toutes ces améliorations culturales passe par une meilleure connaissance des voies de signalisation associées à la réponse des plantes aux stress. Il est aujourd’hui acquis que les voies de signalisation du stress du réticulum endoplasmique (RE) jouent un rôle important dans la réponse à différents stress abiotiques tel que les stress hydriques ou de fortes variations de température, mais aussi dans la régulation des interactions avec de nombreux microorganismes. Le stress du RE se caractérise par l’accumulation de protéines mal-/non-repliées dans la lumière du RE. Face à ce stress, la cellule active deux voies de signalisation appelée UPR (Unfolded Protein Response) afin de rétablir l’homéostasie cellulaire. Chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, la signalisation UPR est portée par les facteurs de transcriptions bZIP17 et bZIP28 d’un côté et la kinase transmembranaire IRE1 associée au facteur de transcription bZIP60 de l’autre (Gayral et al., 2020). Les deux voies de l’UPR induisent différentes réactions pro-adaptatives qui visent d’une part à augmenter les capacités de repliement des protéines et du système de contrôle qualité du RE (ERQC), ainsi que les capacités de dégradation des protéines mal-repliées par la réticulophagie et le système de dégradation protéine associée au RE (ERAD). Et d’autre part à réduire le travail du RE en dégradant les ARNm qui codent pour des protéines empruntant la voie de sécrétion grâce à un mécanisme appelé regulated IRE1-dependent decay (RIDD).

Plusieurs travaux ont démontré que les voies UPR sont activées lors d’une maladie cryptogamique et qu’elles participent à l’immunité, mais leurs modes d’action restent méconnus.  Il est tout de même intéressant de noter que chez A. thaliana, le facteur de sensibilité RTP1 (Resistance to Phytophthora parasitica 1), est un régulateur négatif des voies UPR (Qiang et al., 2021). De plus, des travaux menés au sein du pôle IPM (Interactions Plantes Micro-organismes) de l’UMR Agroécologie montrent que l’inactivation de AtbZIP60 entraine une forte augmentation de la sensibilité face au champignon pathogène Botrytis cinerea alors que celle de AtbZIP17 entraine une meilleure résistance à ce bioagresseur (Blanchard et al., 2024). Concernant les interactions avec les champignons mycorhiziens à arbuscule, le rôle de la signalisation UPR n’a jamais était étudié dans ce contexte alors que la mise en place de la symbiose mycorhizienne à arbuscule (SMA) nécessite un contournement des réactions de défenses et une réorganisation profonde de la cellule qui entraine probablement un déséquilibre de l’homéostasie protéique au sein du RE. Jusqu’à présent l’étude du contournement des réactions de défenses s’est principalement concentrée sur la perception par les plantes de certains motifs moléculaires appelés Microbe-Associated Molecular Pattern (MAMP), mais il a récemment été montré que la voie UPR est ciblée par l’oomycète pathogène Phytophthora capsici pour contourner les défenses de la plante (Zhou et al., 2021).

Ces résultats suggèrent le rôle central de l’UPR dans la gestion des interactions plantes microorganismes. Ainsi, il apparait qu’une meilleure connaissance des voies de signalisation de l’UPR permettrait d’améliorer la résistance des plantes face aux pathogènes. Néanmoins, il est nécessaire d’étudier le rôle de l’UPR conjointement dans les interactions pathogènes et mutualistes afin de ne pas induire d’effet délétère.

2. Objectif de la thèse

Les travaux préliminaires réalisés au laboratoire nous ont permis d’identifier et de débuter l’édition génomique des gènes impliqués dans l’UPR chez la vigne (Vitis vinifera) et chez la plante modèle Marchantia paleacea. M. paleacea est une bryophyte avec un petit génome présentant peu de duplication et dont l’édition génomique est rapide. De plus, cette plante modèle à l’avantage d’être sensible à de nombreux agents pathogènes et de pouvoir réaliser des SMA.

Le premier objectif de la thèse est d’étudier chez le rôle de l’UPR chez la vigne et chez marchantia lors des interactions plantes microorganismes pathogènes et mutualistes. Pour ce faire, les vignes et les marchantias éditées (Knock-Out) dans les gènes impliqués dans la signalisation UPR vont être infectées par plusieurs agents pathogènes. La sensibilité/résistance des mutants sera évaluée tout comme l’expression des gènes impliqués dans les différentes voies de défense chez les plantes. Les mutants seront aussi mycorhizés et la mise en place de la SMA sera évaluée par des approches de microscopie et l’expression de gènes orthologues de marqueurs de symbiose préalablement identifiés chez d’autres espèces végétales sera testée.

Le second objectif est d’étudier le rôle de l’activité pro-adaptative de l’UPR dans les IPM. Pour ce faire, les activités de l’ERQC, de l’ERAD, ainsi que la réticulophagie ou l’impact du RIDD sur la production des protéines PR seront étudié par différentes approches (RTq-PCR, microscopie, Western Blot, mesure d’activité enzymatique) à la fois chez les plantes sauvages et les mutants suite l’infection par B. cinerea ou la SMA.

Enfin, le rôle de la ou les activités pro-adaptatives les plus impliquées dans les IPM seront validées fonctionnellement par édition génomique CRISPR/Cas9 chez marchantia. Pour ce faire, des gènes clefs impliqués dans les activités pro-adaptatives identifiées seront édités et les plantes seront soumises à des infections par différents pathogènes et à la SMA.

Ce projet de thèse permettra une meilleure compréhension du rôle de l’UPR dans les IPM. Ce qui permettra à l’avenir d’étudier leur biodiversité génétique afin d’orienter les programmes de sélection variétale visant à obtenir des plantes plus résistantes aux stress biotiques et abiotiques pour diminuer l’usage des produits phytosanitaires et favoriser le développement d’une agriculture plus durable.

3. Références

• C. Blanchard, S. Aimé, A. Ducloy, S. Hichami, M. Azzopardi, J-L. Cacas, O. Lamotte. The IRE1-bZIP60 branch of Unfolded Protein Response is required for Arabidopsis immune response to Botrytis cinerea. 2024. ffhal-04795483. BioRxiv DOI : 10.1101/2023.10.18.562849.
• M. Gayral, O.A. Gaguancela, E. Vasquez, F.J. Florez, M.B Dickman, and J. Verchot. Multiple ER-to-nucleus stress signaling pathways are activated during Plantago asiatica mosaic virus and Turnip mosaic virus infection in Arabidopsis thaliana. 2020. The Plant Journal. DOI: 10.1111/tpj.14798
• X. Qiang, X. Liu, X. Wang, Q. Zheng, L. Kang, X. Gao, Y. Wei, W. Wu, H. Zhao, W. Shan. Susceptibility factor RTP1 negatively regulates Phytophthora parasitica resistance via modulating UPR regulators bZIP60 and bZIP28. 2021. Plant Physiology, doi:10.1093/plphys/kiab126
• Y. Zhou, K. Y., M. Cheng, Y. Cheng, Y. Li, G. Ai, T. Bai, R. Xu, W. Duan, H. Peng, X. Li, A. Xia, Y. Wang, M. Jing, D. Dou, M.B. Dickman, Double-faced role of Bcl-2-associated athanogene 7 in plant–Phytophthora interaction. 2021. Journal of Experimental Botany, doi.org/10.1093/jxb/erab252

Université de Bourgogne Europe - DIJON

Laboratoire d'accueil : AGROECOLOGIE

- connaissances et compétences requises

Biologie moléculaire, biologie cellulaire, physiologie végétale, biochimie, interactions plantes/pathogènes.