Stress biotique - Réponses des plantes aux microorganismes pathogènes PDF

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Licence 3 Biologie Ecologie
Mr Lasserre...

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Stress biotique : Réponses des plantes aux microorganismes pathogènes

Une plante est constamment en contact avec des signaux venant de l’extérieur. Certains de ces signaux sont indispensables au bon fonctionnement de l’organisme, il peut y avoir des signaux qui causent un stress chez la plante. Donc la plante doit constamment s’adapter à son environnement pour survivre.

Deux catégories de stress : -Stress biotiques : imposés par d’autres organismes -Stress abiotiques : imposés par des facteurs physiques ou chimiques de l’environnement

Déterminisme de la réponse aux stress : Ce qui détermine la survie de la plante sont les caractères externes et les caractères internes de cette-dernières. Une plante âgée et une plante jeune n’auront pas la même réponse à un même stress. Le déterminisme génétique jouera un rôle important à cette réponse au stress.

Mécanismes des réponses aux stress : Chaque cellule qui est soumise à un stress va devoir modifier son métabolisme cellulaire, l’information du stress passera d’un signal extracellulaire à un signal intracellulaire afin que le noyau adapte sa réponse au stress.

I-Le cadre général : La résistance est une généralité, la maladie une exception.

Cela veut dire que la plupart des plantes sont résistantes à la plupart des microorganismes pathogènes qui les entourent. Cette grande résistance est due à des barrières physiques et chimiques préformées.

Barrières physiques et chimiques préformées : Barrières physiques : -tissus de revêtements : cutine, subérine = composant essentiel du liège, cires, lignines = composant essentiel du bois -paroi cellulaires Barrières chimiques : La plante possède des molécules qui sont toxiques pour les microorganismes, ce sont des phytoanticipines. Ces-derniers sont des métabolites secondaires à activité antimicrobienne, ils sont présents en permanence dans l’organisme.

Réponses des plantes aux microorganismes pathogènes : Il existe chez la plante une résistance dite constitutive qui comprend les barrières physiques et chimiques préformées ainsi que la niche écologique qui n’est pas adapté au microorganisme (le plus souvent). Il y a ensuite une résistance dite induite qui correspond à la reconnaissance précoce qui induit la résistance. Un pathogène peut être plus ou moins adapté en fonction de la plante ou du type de plante qu’il rencontre. Il y a deux couches de résistance induite : -immunité primaire ou PTI -immunité secondaire ou ETI On les a appelées comme cela car l’on pense qu’elles ne sont pas apparues au même moment au cours de l’évolution. Il y a deux niveaux spatio-temporels de résistance induite : -rapide et locale -tardive et systémique (étendu à l’ensemble de l’organisme)

Mécanismes cellulaires de la résistance : La résistance résulte de communications intracellulaires et intercellulaires :

-communication intracellulaire : perception du signal, transduction (réception cellulaire et transformation cellulaire  étape intermédiaire entre les 2 autres), réponse cellulaire -communication intercellulaire : réponses systémiques L’immunité végétale est innée chez la plante, il n’existe pas d’immunité adaptative.

II-Brève présentation des microorganismes pathogènes : 1-Modes de vie : Les microorganismes pathogènes : Nécrotrophes : organismes qui tuent les cellules de l’hôte et qui se développent à partir de tissus morts Biotrophes : organismes qui ont besoin d’un organisme vivant pour se développer, à la fin on a quand même la mort de l’hôte Il existe également des organismes hémibiotrophes qui au début ont besoin d’un hôte vivant puis à la fin de leur cycle ils deviennent nécrotrophes.

2-Moyens d’action : Méthodes d’invasion de l’hôte : -Pénétration directe : présent essentiellement chez les champignons, une spore germe à la surface de la feuille. On va avoir un appressorium avec un pic de pénétration qui assisté d’enzymes va entrer de force dans les cellules ou les espaces intercellulaires -Pénétration par un pore naturellement ouvert : les champignons et les bactéries peuvent rentrer par les stomates -Pénétration par des ouvertures accidentelles : blessures dues à un insecte ou à cause du développement de la plante

Pénétration par un stomate : B : les spores de champignons germent au-dessus d’un stomate C : le champignon pénètre dans le stomate à l’aide de son appressorium

Formation et pénétration d’un appressorium : On a le développement d’un hyphe à travers les cellules, puis des haustorium (stratégie biotrophe) créent des invaginations des cellules pour permettre des échanges de nutriments entre la plante et le champignon. Le contenu cellulaire du champignon va passer à l’intérieur de la plante.

Les enzymes de dégradation de la paroi : Il y a des enzymes qui assistent la pénétration d’un pic ou les bactéries possèdent des enzymes pour pouvoir rentrer à travers la paroi de la plante. -Cutinases : dégradent les polymères lipidiques -Pectinases : attaquent les liaisons des pectines et les dégrade -Cellulases : dégradent le polysaccharide de cellulose -Protéases : dégradent les protéines des cellules

Les toxines : Ce sont des métabolismes secondaires qui interfèrent avec les composants cytoplasmiques des cellules végétales. Tabtoxine : inhibiteur de la glutamine synthétase, elle est composée de deux parties reliées par une liaison peptidique. La plante va couper cette liaison et rendre la molécule toxique.

Coronatine : analogue de la jasmonate, permet de contrôler la réouverture des stomates.

Les effecteurs : Protéines effectrices délivrées dans les cellules de l’hôte : -modifient la fonction cellulaire normale de protéines -interfèrent avec les réponses défensives

Les effecteurs de type III : Ce sont des effecteurs bactériens, ils sont envoyés à l’intérieur des cellules végétales grâce à un système de sécrétion de type III. Ce sont des bactéries Gram-, elles traversent la membrane de la plante avec un pilus.

III-Les systèmes de défense des plantes : Croissance bactérienne lors d’interactions compatibles et incompatibles : Interaction compatible : croissance de la bactérie exponentielle Interaction incompatible : la croissance de la bactérie est stoppée très vite, il y a des lésions de nécrose dites HR (réponse hypersensible). Ces lésions sont un suicide cellulaire de défense pour empêcher la bactérie de se développer.

Les réactions de défense des plantes :

Zone infectée : Fermeture des stomates

Réaction hypersensible (HR) est efficace contre les organismes biotrophes. Renforcement des barrières structurales Zone de résistance locale : Phytoalexines : métabolites secondaires à activité antimicrobienne produite lorsque le microorganisme pathogène est détecté Protéine antimicrobienne (PR) Zone de résistance systémique : Protéines antimicrobiennes (PR)

1-Dans la zone infectée : La réponse hypersensible : Ce sont des lésions HR dans des feuilles de tabac résistant au TMV, les cellules mortes sont très délimitées par rapport aux cellules saine. La HR est une forme de mort cellulaire programmée, la plante sacrifie un certain nombre de cellules pour maintenir le pathogène biotrophe au site d’infection. C’est la seule forme de défense visible à l’œil nu. La HR peut être activée en absence du pathogène ou peut être activée par la mutation de certains gènes de la plante. La HR présente certains critères biochimiques de PCD (mort cellulaire programmée) caractérisés chez les animaux (apoptose).

Les mutants à lésions spontanées (LMM) : Il existe deux grandes familles de mutations : -initiation : ce sont des lésions déclenchées spontanément lorsque l’on met la plante dans des conditions de jours courts. La mutation déclenche l’initiation de la HR -propagation : la plante ne peut plus contrôler sa HR, elle va donc mourir, il n’y a plus de délimitations dans l’espace et le temps.

Comparaison plantes – animaux : 1 : ADN de plante pas infectée 2 : plante infectée, interaction compatible 3 et 4 : plantes infectées par le même pathogène que 2, mais ici interactions incompatibles 5 : témoin positif, ADN de bactérie 6 : ADN issu de cellules en cours d’apoptose chez un animal On a le même profil de dégradation de l’ADN entre 3-4 et 6. Cela correspond à un clivage internucléosomal de l’ADN, la nucléase coupe l’ADN entre les nucléosomes.

Renforcement des barrières structurales : -Dépôts de callose dans les parois : polysaccharide complexe qui existe dans les parois, activé en réponse à une tentative d’intrusion dans les parois de la plante. La callose plasmalemme est déjà présente et va boucher les plasmodesmes des feuilles en synthétisant de la callose. -Accumulation de HRGP : glycoprotéines de structure de la paroi, synthèse et accumulation lors d’une tentative d’intrusion. Elles vont former un réseau de renforcement. -Lignification des cellules : ce sont des polymères chromatiques, on a une accumulation de monomères de lignine. Ici on a une interaction incompatible, la plante va créer une papille qui va stopper la progression du pathogène. La papille est un mélange hétérogène composé de callose et de lignine.

Evènements associés à la HR : Production d’H2O2 = eau oxygéné / peroxyde d’hydrogène Elle va se trouver en concentration toxique pour les pathogènes en oxydant leurs lipides membranaires mais cette concentration n’est pas toxique pour la plante car elle possède des méthodes de détoxification. Cette augmentation de peroxyde d’hydrogène va induire la production des HRGP. Cela se fait car le peroxyde d’hydrogène va faire des liaisons covalentes avec ces glycoprotéines et permettre ensuite la

synthèse d’acide salicylique. A faible concentration l’H2O2 est une molécule signale qui modifie l’équilibre oxydo-réducteur de l’intérieur des cellules. Cela agit comme une alerte et on aura de la signalisation intercellulaire.

2-Autour de la zone infectée : Les protéines PR : Activité antimicrobienne in vitro, sur-expression en plantes transgéniques augmente la résistance.

La résistance locale : Activation du promoteur d’un gène de chitinase lors d’une interaction incompatible. On fait un remplacement du gène chitinase par le gène rapporteur GUS, à l’endroit où la réaction de défense est observée on a une coloration bleue.

Les phytoalexines : Ce sont des molécules cycliques très complexes, quelques phytoanticipines ont la même structure. Elles se divisent en différentes catégories : indoles, alcaloïdes, isoprénoïdes, flavonoïdes.

Défense et métabolisme secondaire : La défense est une réorientation du métabolisme comme les phytoalexines, les lignines et l’acide salicylique. Cela a un impact sur le développement (rendement) de la plante et certains mécanismes sont contraints dans l’espace et dans le temps.

Phytoalexines et défense locale : Feuilles de tabac infectées, réaction HR Là où il y a les liaisons de HR on a un halo autour qui correspond aux phytoalexines.

3-A distance : la résistance systémique Les défenses systémiques :

Ce sont des défenses plus tardives, moins intenses, cela passe par le xylème et le phloème. Cela met la plante un état de veille qui lui permet de résister aux pathogènes, ce signal se met en place après la résistance locale lors d’une réaction incompatible ou compatible. Il existe deux grands types de défense : -résistance systémique acquise (SAR) : le déclencheur sont des lésions nécrotiques (HR, maladie). Ce signal se traduit à distance par une augmentation d’acide salicylique qui mettre la plante dans un état de veille dû à l’accumulation de protéines PR -résistance systémique à la blessure : signal qui se déplace par le phloème, à distance on a une augmentation de la production d’éthylène et d’acide jasmonique

Illustration de la SAR : Tabac avec le gène de résistance au TMV : on observe des lésions HR, on attend 3 semaines et on réinfecte la feuille avec du TMV. On a des lésions HR moins nombreuses et plus petites car les cellules sont déjà en état de veille. Témoin négatif : pas d’infection au début, on attend 3 semaines puis on infecte la feuille avec du TMV et on a des réactions HR identiques à l’étape 1 de la feuille précédente.

Résistance aux virus : l’extinction de gènes L’ARN viral est détecté par la plante. Elle va le marquer avec une enzyme ARN polymérase pour créer un ARN double brin. Une enzyme va couper cet ARN en plusieurs petits ARN (siRNA). Un de ces brins va servir de guide à un complexe (RISC) vers l’ARN viral qui va être dégradé.

IV-L’interaction : la reconnaissance du microorganisme pathogène par la plante : 1-Eliciteurs vs systèmes de surveillance : Un éliciteur va signaler le danger, il existe sous deux formes différentes : -exogène : provient du pathogène -endogène : provient de la plante

Eliciteurs endogènes (DAMPs) : DAMP : Damage-Associated Molecular Pattern -Oligogalacturonides : fragments de paroi primaire -Monomères de cutine (fragments de tissus de revêtement) -Peptides (ex : systémine)

Eliciteurs exogènes : MAMPs MAMP: Microbe-Associated Molecular Pattern La flagelline permet le mouvement du flagelle, c’est une protéine de structure pour les bactéries Gram -. Les plantes ont un système de reconnaissance de motifs de la flagelline, ce système est le PRR qui sont FLS2.

Le facteur EF-Tu hydrolyse la GTP en GDP, source d’énergie pour synthétiser l’ARN. Ce facteur est reconnu par la plante par un PRR nommé EFR.

FLS2 : récepteur de la flagelline Transforme le signal extracellulaire en un signal intracellulaire, cela se fait par la libération d’une molécule de phosphate par une kinase : LRR (Leucine Rich Receptor).

Autres couples PRR/MAMP : EF-Tu a la même structure que la flagelline, c’est-à-dire un LRR avec une kinase. Xylanase : enzyme pour détruire les parois Chitine : composant de la paroi des champignons

Immunité primaire (PTI) : Elle est basée sur la reconnaissance des motifs essentiels à la vie des pathogènes. Large spectre : très répandu et efficace sur une large gamme de pathogènes Durable : le pathogène ne peut pas échapper à la reconnaissance par mutation de son motif structural.

Action des effecteurs : La bactérie par un système de sécrétion de type III envoie des protéines à l’intérieur de la cellule végétale. Ce sont des effecteurs de type III qui vont affaiblir l’immunité primaire de la plante à différents niveaux. Les plantes ont appris à reconnaître l’action de ces effecteurs.

Reconnaissance des effecteurs : gènes R Gène R = gène de résistance Il existe deux grands types : -reconnaissance effecteurs extracellulaires -reconnaissance effecteurs intracellulaires envoyés par la bactérie à l’intérieur de la plante

Action des effecteurs : -Stratégie de contournement propre à chaque pathogène : système de surveillance spécifique de chaque pathogène -Paradoxes : grande variété d’effecteurs vs nombre réduit de types de gènes R (3-4 catégories), rarement interaction directe effecteur/protéine R Des effecteurs peuvent avoir une cible commune mais le gène R est différent en fonction du type d’effecteur.

Reconnaissance indirecte : le modèle du gène gardien Phosphorylation RIN4 : affaibli l’immunité primaire mais RPM1 surveille cette phosphorylation et déclenche la défense de la plante Dégradation de RIN4 : RPS2 détecte l’action sur RIN4, si elle est dégradée on a le déclenchement de la défense de la plante

Reconnaissance des effecteurs : -Reconnaissance directe : gène R reconnait directement l’effecteur

-Modèle de l’appât : la protéine de résistance reconnait le complexe entre la protéine de l’hôte et l’effecteur -Gène gardien : le plus fréquent

Immunité secondaire (ETI) : La réponse HR est liée à l’intensité de la réponse. Rapide et intense, spécifique, moins durable car les effecteurs ne sont pas indispensables à la vie du pathogène.

2-Modèle de l’immunité chez les plantes : Modèle de l’immunité chez les plantes : C’est un modèle en zig-zag. Lorsque la PTI est dépassée par des effecteurs ou autres, c’est l’ETI qui va prendre le relai.

Polymorphisme des gènes R : Cela se manifeste par : -locus très simple mais avec une gamme d’allèles différents

-locus très complexe, contient des allèles différents dans un même gène

Les différents types d’interaction :

V-Entre reconnaissance et défense : les voies de signalisation 1-Mécanismes induits par la reconnaissance de l’éliciteur : Les stimulus externes sont convertis en réponses dans la cellule en 3 étapes : Réception : dû à un récepteur transmembranaire ou membranaire, induit la reconnaissance du signal Transduction : implication de plusieurs protéines relais et des seconds messagers Réponse : activation de la réponse cellulaire

Evénements cellulaires immédiats : On a un flux d’ions à travers la membrane, cela se traduit par un influe d’ions Ca2+ dans les cellules végétales. Cela va être important pour enclencher une signalisation par phosphorylation intracellulaire via des kinases sensibles au Ca2+. Oxidative burst (poussée oxydante) : concentration importante d’activité d’oxygène, rôle direct dans la défense, on a une signalisation intracellulaire par modification de la balance redox

Activations de protéines kinases : MAP kinases, CDPKs (enzymes sensibles au calcium). On a une signalisation intracellulaire via cascades de phosphorylation

Les espèces réactives de l’oxygène : Anion superoxyde : très toxique, l’oxygène moléculaire a subi une réduction. On a une conservation du potentiel redox pour H2O2 et H2O. NADPH transmembranaire : début de la réaction est extracellulaire

Les événements après réception d’un éliciteur : On a un récepteur transmembranaire, la partie intracellulaire possède un domaine kinase qui va être activé (phosphorylé). Cela va activer une pompe à calcium, il va y avoir également l’activation de l’enzyme NAPDH qui va synthétiser du H2O2 pour la défense de la plante. Domaine EF : domaine de fixation du calcium

Régulation des protéines par phosphorylations/déphosphorylations : La phosphorylation est une modification post-traductionnelle, c’est un processus qui peut être réversible. La kinase peut être recyclée et réutilisée. Une protéine peut être stabilisée ou pas en fonction de sa phosphorylation, ces protéines peuvent se localiser à différents endroits dans l’organisme.

Cascades de protéines kinases : Elles sont responsables de cascades de phosphorylation, une protéine kinase va en activer une autre etc… MAP : Mitogen Activated Protein

Transduction : contrôle et spécificité de la réponse On peut observer des branchements/bifurcations, à partir d’une même protéine en fonction de la voie choisie on peut avoir plusieurs réponses.

Efficacité de la communication : complexes de signalisation Les protéines kinases sont rapprochées dans l’espace par des protéines de liaison. Cela forme des complexes de signalisation.

Transduction : amplification de la réponse

Une molécule du récepteur va activer plusieurs molécules G et ces-dernières vont activer d’autres protéines. Elles vont amplifier des molécules d’AMPc qui vont produire des protéines kinases. Les kinases vont produire des enzymes qui donneront des produits de réaction enzymatique.

Les kinases de type MAP au centre des voies de signalisation Les MAP kinases sont des points de convergence des différents éliciteurs (gène R).

Les facteurs de transcriptions : Les facteurs de transcription sont les exécutants de la reprogrammation transcriptionnelle. On a par exemple les ERF qui sont des facteurs de réponse à l’éthylène faisant parti de la famille des AP2. Les cellules reçoivent beaucoup de signaux extracellulaires et dans ses réponses il y a beaucoup de facteurs de transcription ERF. Ces-derniers peuvent être des points de convergence afin de finement réguler la réponse. On a aussi les...