This thesis focuses on the study of the influence of selected parameters on the course of microbial cultivation and evaluation of bioprocess. It is divided into two parts. The first part deals with the production of mutant forms of the protein cryptogein yeast Pichia pastoris. The theoretical part summarizes the findings of the yeast P. pastoris and its expression. It also deals with cryptogein that induces defense reactions in plants. In the experimental part was produced mutant cryptogein X24, in which the concentration of each fraction and the ability to transfer sterols. The second part of this thesis is focused on aerobic and anaerobic oxidation of elemental sulfur by Acidithiobacillus ferrooxidans. In the theoretical section, our knowledge on A. ferrooxidans, its metabolism and the importance of ATP in cell metabolism was summarized. In the experimental part, the above bioprocess was monitored using pH, biomass concentration, the rate of oxidation of elemental sulfur the cellular ATP content.

Les études entreprises depuis une douzaine d'années indiquent que le monoxyde d'azote (NO) est un médiateur physiologique impliqué dans de nombreux processus chez les plantes, incluant la germination, le développement des racines, la fermeture des stomates ou encore la réponse adaptative aux stress biotiques et abiotiques. Malgré cet important panel de fonctions, les mécanismes sous-jacents aux effets du NO ont été peu appréhendés et restent pour l'essentiel énigmatiques. Le travail présenté dans ce manuscrit s'inscrit dans cette problématique et a consisté en l’identification et la caractérisation de protéines cibles du NO chez le tabac dans le contexte de stress biotiques et abiotiques. Nous avons démontré que la cryptogéine, un éliciteur des réactions de défense, induit la S-nitrosylation rapide et transitoire de plusieurs protéines dans des suspensions cellulaires de tabac. Après purification, une douzaine de ces protéines ont été identifiées via une analyse par spectrométrie de masse. Celles-ci incluent notamment une protéine chaperonne de la famille des AAA-ATPase nommée CDC48 (Cell Division Cycle 48). Cette dernière a fait l'objet d'une étude structure/fonction approfondie afin d'appréhender l'impact de sa S-nitrosylation. Après avoir vérifié que la protéine recombinante était S-nitrosylable in vitro, nous avons démontré que ce processus n'affecte pas la structure secondaire de la protéine mais induit des modifications locales de sa structure tertiaire et une inhibition de son activité ATPasique. Le résidu cystéine 526, localisé dans le second domaine ATPasique de la protéine, a été identifié comme site probable de S-nitrosylation. Cette localisation stratégique pourrait expliquer l'effet inhibiteur du NO sur l'activité enzymatique de CDC48. La dernière partie de ce travail a été centrée sur l'analyse des mécanismes par lesquels le NO active la protéine kinase NtOSAK (Nicotiana tabacum stress activated protein kinase) chez le tabac. Nous avons démontré que NtOSAK forme un complexe constitutif avec la glycéraldéhyde 3 phosphate deshydrogénase (GAPDH). En réponse à un stress salin, le NO promeut l'activation de NtOSAK via la phosphorylation de deux résidus serine localisés dans la boucle d'activation de l'enzyme. De plus, il induit une S-nitrosylation rapide de la GAPDH, ce processus n'affectant pas la formation du complexe. Notre hypothèse est que ce complexe constituerait une plateforme de signalisation régulée par le NO et pouvant recruter les protéines cibles de NtOSAK lors de la réponse au stress salin. / Studies conducted over the past ten years indicate that nitric oxide (NO) is a physiological mediator involved in many physiological processes in plants, including germination, root development, stomatal closure or responses against biotic or abiotic stresses. Despite this important range of functions, the mechanisms underlying the effects of NO in plants remain largely unknown. The present work aims at identifying and functionally characterizing NO target proteins in tobacco in the context of biotic and abiotic stresses. We demonstrated that cryptogein, an elicitor of defense responses, induces a rapid and transient S-nitrosylation of several proteins in tobacco cell suspensions. After purification, a dozen of these proteins have been identified through mass spectrometry analysis. These proteins include CDC48 (Cell Division Cycle 48), a chaperone-like protein belonging to the AAA-ATPase family. The regulation of CDC48 by NO was deeply investigated using a combination of structural and biochemical analyses. Once the in vitro S-nitrosylation of CDC48 was confirmed, we next demonstrated that this process does not affect the secondary structure of the protein but induces local changes in its tertiary structure together with an inhibition of its ATPase activity. The cysteine residue 526, located in the second ATPase domain of the protein, was identified as a probable S-nitrosylation site. This crucial localization may explain the inhibitory effect of NO on CDC48 enzymatic activity. The last part of this work was focused on the analysis of the mechanisms underlying the NO-dependent activation of the protein kinase NtOSAK (Nicotiana tabacum stress activated protein kinase) in tobacco. We demonstrated that NtOSAK forms a constitutive complex with glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH). In response to salt stress, NO promotes the activation of NtOSAK via the phosphorylation of two serine residues located in the activation loop of the enzyme. Moreover, it induces a rapid S-nitrosylation of GAPDH. Interestingly, this latter process does not affect the complex formation. Our hypothesis is that once S-nitrosylated, GAPDH might act as a phosphorelay recruiting protein substrates for NtOSAK.

La cryptogéine est un éliciteur protéique des réactions de défense chez le tabac sécrété par l’oomycète Phytophthora cryptogea. Son interaction avec un récepteur encore non identifié de la membrane plasmique déclenche une cascade d’événements de signalisation qui conduisent à une reprogrammation génique, à la diffusion d’un signal conférant une résistance systémique et, ultimement, à la mort des cellules directement exposées à cet éliciteur. Notre équipe avait précédemment mis en évidence une stimulation de la formation de vésicules d’endocytose quelques minutes après l’élicitation. Des études de microscopie électronique et d’inhibition pharmacologique avaient permis d’émettre l’hypothèse que cette endocytose était dépendante de la clathrine (CME). Ce processus essentiel des cellules eucaryotes concoure au maintien de l’homéostasie du plasmalemme. L’endocytose joue également deux rôles aux effets antagonistes lorsqu’elle est induite par un stimulus de l’environnement. Elle permet d’une part la production d’endosomes de signalisation qui vont délivrer le stimulus au cœur de la cellule, et assure d’autre part la désensibilisation de la membrane afin de préparer la cellule à percevoir d’autres stimuli.Mon travail de thèse avait pour objectif de confirmer que l’endocytose induite après traitement de cellules de tabac par la cryptogéine est bien dépendante de la clathrine et d’essayer de déterminer si elle est impliquée, directement ou indirectement, dans la transduction du signal d’élicitation et dans le développement des réactions de défense. Afin de visualiser in vivo la dynamique endocytaire, j’ai établi une suspension cellulaire de tabac exprimant une chaine légère de clathrine fusionnée à la GFP. La caractérisation de cette suspension par des approches biochimiques et par microscopie a confirmé l’induction d’une endocytose dépendante de la clathrine suite à l’élicitation par la cryptogéine. J’ai également développé une stratégie d’inhibition de la CME faisant appel à l’expression d’une version tronquée de la CHC, appelée hub, dont la propriété est d’empêcher la formation du manteau de clathrine à la membrane plasmique. La caractérisation d’une lignée cellulaire co-exprimant le marqueur d’endocytose GFP-CLC et le hub a montré qu’il était possible d’empêcher l’endocytose à clathrine induite par la cryptogéine sans altérer de façon significative l’endocytose constitutive. L’utilisation de cette stratégie d’inhibition sélective a ainsi démontré que des événements précoces induits à la membrane plasmique par la cryptogéine, telles l’alcalinisation du milieu extracellulaire et la production de formes actives de l’oxygène, ne sont pas dépendants de la CME. L’impact de l’invalidation de l’endocytose induite sur le déclenchement des réponses tardives a été étudié sur des cellules en suspension et sur des plants de tabac. Mes travaux ont révélé que l’endocytose contribuait de façon réduite à la reprogrammation du transcriptome et au déclenchement de la mort cellulaire programmée. Des travaux préliminaires effectués sur des plantes exposées à divers pathogènes du tabac ont montré que l’expression du hub affecte la sensibilité des plantes à certains de ces pathogènes. L’ensemble de ces travaux ouvrent la voie à une étude plus intégrative du rôle de l’endocytose dans l’interaction tabac-cryptogéine / Cryptogein, a protein secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea, is an elicitor of defense reaction in tobacco. Cryptogein binding to an unidentified receptor of the plasma membrane triggers a signaling cascade that leads to changes in gene expression, production of a systemic acquired resistance signal, and cell death. Our lab previously reported a stimulation of endocytosis a few minutes after elicitation. Electron microscopy and pharmacological studies evidenced that this endocytosis is clathrin-mediated. Clathrin-mediated endocytosis (CME) is a fundamental eukaryotic cell process that ensures plasma membrane homeostasis. It also plays two antagonistic roles in extracellular signal transduction either by producing endosomes that convey the signal into the heart of the cell, or by downregulating plasma membrane receptors to attenuate cellular responsiveness and prepare the cell for subsequent signals.The aim of my thesis was to confirm clathrin dependence of cryptogein-induced endocytosis and to find out whether endocytosis is involved in cryptogein signaling and defense reactions. I established a tobacco cell suspension expressing clathrin light chain fused to GFP to follow CME in living cells. Biochemical and microscopic characterization of the cell suspension confirmed that cryptogein-induced endocytosis is clathrin-mediated. I also developed a dominant-negative strategy to inhibit CME by expressing a truncated form of clathrin heavy chain, the hub domain, which prevents clathrin-coated pit formation at the plasma membrane. Characterization of a cell line co-expressing GFP-CLC and the hub domain showed that it is possible to hinder cryptogein-induced CME without significantly altering constitutive endocytosis. This selective inhibition strategy revealed that cryptogein-induced early signaling events such as alkalinisation of the extracellular medium and reactive oxygen species production are CME-independent.Consequences of induced-CME inhibition on later responses to cryptogein were studied in cell suspension and in tobacco plants. My results showed that endocytosis contributes in a minor way to transcriptome reprogramming and cell death induction. Moreover, preliminary results suggested that hub expression increases the plant’s sensitivity to several pathogens. Altogether these results open up the prospect of addressing the role of CME during tobacco-cryptogein interaction in a more integrative view

Au cours de ces dernières années, des études ont montré l’existence d’une compartimentation latéraledes composants de la membrane plasmique végétale, de manière analogue à ce qui avait été montréchez les animaux et les levures. L’objectif de cette thèse était d’apporter de nouveaux éléments decaractérisation de cette compartimentation (propriétés physiques de domaines particuliers, mécanismesde mise en place de ces domaines, de contrôle de leur taille, etc…) et d’étudier son rôle dans laphysiologie de la cellule végétale.Le développement d’une méthodologie de microscopie confocale spectrale couplée à l’utilisationd’une sonde environnementale a permis d’apporter la première description à l'échellesubmicrométrique de l’organisation du plasmalemme en territoires aux propriétés physiquesdifférentiées. Ces domaines coexistent au sein de la membrane plasmique de cellules en suspension,comme à celle de membranes artificielles composées de lipides modèles ou de lipides de membranescellulaires, de vésicules géantes constituées de membrane plasmique purifiée, ou de protoplastes.Cependant, les différences de l’organisation latérale observées chez ces différentes membranes ontpermis de montrer l’importance des phytostérols qui seraient, par le biais d'interactions spécifiquesavec d’autres lipides végétaux tels que les GIPCs, des composés essentiels pour la formation locale dedomaines lipidiques ordonnés. La grande diversité des lipides végétaux organiserait ainsi lacompartimentation de la membrane plasmique permettant la ségrégation dynamique des composantsmembranaires. Si les stérols augmentent de manière importante le degré de compaction de la bicouche,les protéines le diminuent. Le cytosquelette et la paroi ne semblent, quant à eux, modifier ni laprésence, ni l’organisation des domaines ordonnés de la membrane plasmique. Nous avons égalementmontré que l’organisation de ces domaines évolue transitoirement lors des étapes précoces de lacascade de signalisation induite par des réactions de défense. De fait, nous avons identifié desmodifications des propriétés physiques globales et de l’organisation fine de la membrane provoquéespar différents éliciteurs de réactions de défense, dont la cryptogéine, une protéine sécrétée parl’oomycète Phytophthora cryptogea. Nous avons montré que ces modifications sont un élémentgénérique de la signalisation de défense, sous la dépendance de phénomènes de phosphorylation, leburst oxydatif étant également une étape clé de l’augmentation du degré d’ordre observé dans lesphases précoces de cette signalisation. La cryptogéine, qui présente une aptitude singulière pour piégerles stérols, a également montré une capacité spécifique à augmenter la fluidité membranaire, ceparamètre pouvant contrôler l’intensité de la cascade de signalisation, mesurée par la production deformes actives d’oxygène.Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension des interactions cellule-élicitineet apportent un nouvel éclairage sur le rôle des lipides végétaux dans l’organisation latérale de lamembrane plasmique végétale et positionne la dynamique membranaire comme un élément designalisation de défense des plantes. / Recent studies have shown the existence of lateral sub-compartmentalization of plant plasmamembrane similar to that of animal cells and yeasts. The aim of this thesis was to provide newelements to characterize this compartmentalization (physical properties of specific domains,mechanisms of their formation, determination of their size, etc...) and to study its role in thephysiology of plant cells.The development spectral confocal microscopy coupled with the use of an environment-sensitiveprobe enabled to obtain the first description at the submicron scale of plasma membrane organizationinto domains exhibiting various physical properties. These domains coexist at the plasma membranesurface of tobacco suspension cells as well as the membrane of vesicles composed of models lipids orcell plasma membrane lipids, purified plasma membrane vesicles, and protoplasts. However,differences in the lateral organization observed in these membranes have shown the importance ofphytosterols which are, through specific interactions with neighboring plant lipids such as GIPCs,essential for local formation of ordered domains. The huge diversity of plant lipids drives thecompartmentalization of the plasma membrane allowing the dynamic segregation of membranecomponents. Sterols greatly increase membrane order, whereas proteins tends to decrease it.Cytoskeleton and cell wall do alter neither presence nor organization of ordered domains of the plasmamembrane. We have also shown that the organization of these domains is transiently modified duringthe early stages of defense signaling cascade. In fact, we have identified changes in overall physicalproperties and fine lateral organization of the membrane caused by various elicitors of defensereactions, including cryptogein, a protein secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea. We haveshown that these changes are a generic element of defense signaling cascade and depend onphosphorylation processes; oxidative burst being also a major actor of the control of the increase ofmembrane order observed during the very early stages of the signalling process. Cryptogein, whichexhibits the particular ability to trap sterols, also showed a specific capacity to increase membranefluidity and amplify the intensity of the signalling cascade, as measured by the production of reactiveoxygen species.These results open new perspectives in the understanding of cell-elicitin interactions and provide anew view on the central role of sterol composition in the lateral organization of plant plasmamembrane. They also identify membrane dynamics as a new player in the signalling cascade occurringduring plant defense.

Chez les mammifères, le glutamate est un neuromédiateur bien connu au niveau du système nerveux central et plus récemment un rôle immunomodulateur lui a été reconnu. Le glutamate est le ligand de récepteurs ionotopiques (iGluRs) qui sont des récepteurs-canaux perméables à divers cations dont le calcium (non-selective cation channels, NSCC). Chez Arabidopsis thaliana, une famille de 20 gènes de iGluRs homologues des iGluRs de mammifères a été identifiée et leur implication dans divers processus biologiques est suggérée. Dans ce travail où nous utilisons des suspensions de cellules de tabac (Nicotiana tabacum var Xanthi), divers arguments suggèrent que ces iGluR sont fonctionnels dans le tabac : influx de calcium et élévation rapide et transitoire de la concentration en calcium cytosolic libre en réponse à l’addition de glutamate, inhibition de ces effets par 4 antagonistes de iGluRs animaux (compétitifs ou non compétitifs), désensibilisation, et pH dépendance des effets. Pour la première fois chez les plantes nous montrons que le glutamate induit la production de NO très vraisemblablement via l’activation de iGluRs. De plus, nous démontrons que ce(s) iGluRs sont impliqués dans le mode d’action, via les flux de calcium, de la cryptogéine une protéine de 10 kDa de Phytophthora cryptogea, éliciteur des réactions de défense chez le tabac. Néanmoins, à ce niveau, les iGluRs ne sont pas impliqués dans la plupart des événements calcium-dépendants induits par la cryptogéine dont l’activation des MAPKs et de canaux anioniques, la production de H2O2 (activation de la NADPH-oxydase) et la réponse hypersensible. En revanche, ils sont tout ou partiellement responsables de la production de NO décrite pour la première fois par le passé en réponse à la cryptogéine. Ces résultats suggèrent que différents types de canaux calciques activés par divers médiateurs, génèrent, via le calcium, des messages spécifiques décodés par des protéines associées à chacun de ces types de canaux et impliquées dans des réponses biologiques différentes. Dans le mode d’action de la cryptogéine, nous démontrons que l’activation des iGluRs est possible grâce à l’exocytose de glutamate dans l’apoplaste, induite par la cryptogéine. Ainsi, ce travail est la première démonstration du rôle de iGluRs potentiels dans la défense chez les plantes et de leur implication dans la production de NO. Nos résultats sont un argument supplémentaire à la conservation des mécanismes de la défense dans le monde vivant et posent le problème du rôle du glutamate dans la signalisation chez les plantes. / Glutamate is recognized as the primary excitatory neurotransmitter in the mammalian central nervous system (CNS) but recent studies have shown that glutamate has an important additional immunomodulator role. Glutamate is the ligand of ionotropic glutamate receptors (iGluRs), which are non-selective cation channels (NSCC), permeable to calcium. In plants, animal iGluR homologs were found that were involved in many developmental processes. Here we demonstrate the involvement of putative iGluRs in calcium signalling in response to cryptogein which is a 10 kDa protein secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea and is an elicitor of defence in tobacco. Using transformed tobacco cell suspensions expressing aequorin in the cytosol or in the nucleus, our results have shown that glutamate induces a strong and transient [Ca2+]cyt elevation without [Ca2+]nuc changes. Glutamate-induced [Ca2+]cyt elevation was a result of calcium influx from the extracellular medium and was inhibited by different GluR inhibitors. This data suggest the presence of functional calcium channels of GluRs-type in tobacco. Nevertheless, glutamate does not induce some of the calcium-dependent characteristic events of the defence pathways, which are H2O2 production, MAPK activation and hypersensitive response, but promoted NO production. Further, Ca2+ influx,[Ca2+]cyt elevation and NO production induced by cryptogein were shown to be partially inhibited by the glutamate receptor inhibitors, suggesting that cryptogein treatment could activate a calcium channel of the GluR-type leading to plant defense signalling through NO production. We have also demonstrated that cryptogein induces an efflux of glutamate in the apoplast by the process of exocytosis thus activating the GluRs in tobacco. This is the first demonstration for a potential GluR(s) involvement in plant defense signalling, furthermore by mechanisms that showed homology with glutamate effect on neuronal cells.

La cryptogéine, une protéine sécrétée par l’oomycète Phytophthora cryptogea, provoque la mise en place de mécanismes de défense chez le tabac, mobilisant au cours des étapes précoces de la signalisation associée, des protéines localisées dans la membrane plasmique (MP). Une fraction membranaire résistante à la solubilisation par les détergents (DIM pour Detergent Insoluble Membrane), enrichie en stérols et en sphingolipides avait été purifiée à partir de la MP de tabac : cette fraction contenait plusieurs protéines impliquées dans la cascade de signalisation induite par la cryptogéine. Chez l’animal, l’association dynamique de protéines à des microdomaines riches en stérols et sphingolipides en réponse à un stress biotique joue un rôle essentiel dans la régulation de la signalisation cellulaire. L’objectif de ce travail était de tester l’hypothèse qu’un tel phénomène puisse se produire dans notre modèle d’étude. La comparaison du protéome de fractions DIMs, purifiées à partir de cellules traitées ou non pendant 5 minutes à la cryptogéine a été réalisée à l’aide d’un marquage isotopique (15N ou 14N) et d’une approche de protéomique quantitative. Le premier résultat est que l’abondance de la majorité des protéines n’est pas modifiée dans les DIMs en réponse à la cryptogéine. Une seule protéine est enrichie dans les DIMs, une isoforme de 14-3-3, tandis que quatre dynamines (DRPs pour Dynamin Related Proteins), impliquées dans le trafic vésiculaire, sont exclues des DIMs en réponse à la cryptogéine. L’étude d’une des dynamines identifiées, DRP1A, a été menée. Nous avons caractérisé les différents gènes codant DRP1A dans le génome du tabac, puis utilisé une approche ARN antisens pour altérer l’expression de cette protéine et nous avons étudié sa localisation subcellulaire à l’aide d’anticorps spécifiques et en observant en microscopie confocale cette protéine fusionnée à la GFP. Cette approche a permis de confirmer la présence de DRP1A dans la fraction DIMs et la diminution transitoire de son association à cette fraction en réponse à la cryptogéine, suite à une dissociation de la fraction membranaire. Ces travaux constituent la première mise en évidence d’une association/dissociation dynamique de protéines aux DIMs de plantes en réponse à un stimulus biologique / Cryptogein, a protein secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea, induces defense mechanisms in tobacco. Several proteins involved in the associated signaling pathway were identified and localized on the plasma membrane (PM). A fraction resistant to solubilization by detergent named DIMs for Detergent Insoluble Membranes, enriched in sterols an sphigolipids had been isolated from tobacco PM. It was proved to contain proteins previously identified as actors of the signaling cascade triggered by cryptogein. In animal cells, the dynamic association of proteins to sterol and sphingolipid rich microdomains under the influence of a biological stimulus plays an essential role in the regulation of cellular signaling. The purpose of this work was to test the hypothesis that such a phenomenon might occur in our model. The comparison using isotopic labeling (15N or 14N) and quantitative proteomics, of the composition of DIMs extracted from tobacco cells treated or not by cryptogein, revealed that, although the association to DIMs of most proteins remained unchanged, five proteins had their relative abundance modified after 5 minutes of treatment. One of these was a signaling protein (a 14-3-3 protein) and the four others were related to cell trafficking (4 DRPs, Dynamin Related Proteins). We characterized the DRP1A gene family in tobacco, and set up an antisens RNA antisense to down-regulate the expression of this protein. We studied the intracellular localization of DRP1 using specific antibodies and a GFP fusion. The results confirmed the presence of DRP1 in DIMs and its depletion from this fraction upon cryptogein treatment, through a dissociation from the PM. This is the first evidence of a dynamic association/dissociation of proteins to microdomains in plants upon a biological stimulus

Dans son environnement la plante est confrontée à une variété de microorganismes bénéfiques, neutres et pathogènes, qui sont fortement dépendants des ressources carbonées qu’elle libère dans le sol. Le transport de sucres, processus clé de la physiologie de la plante, est essentiel pour les interactions plantes-microorganismes et leur devenir. Au cours de l'évolution, les plantes ont acquis des mécanismes leur permettant de percevoir les signaux microbiens du milieu extérieur, et aboutissant à la transduction d’un signal spécifique puis à des réponses biologiques adaptées (défense versus mutualisme) à la stratégie du microorganisme. Ces réponses assurent la survie et le développement des plantes. Mes travaux de thèse, menés avec un système « d’interaction » simplifié, contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents au déterminisme des interactions plantes-microorganismes. Ce système a permis d’étudier, sur des suspensions cellulaires de N. tabacum, les réponses cellulaires précoces déclenchées suite à la perception de molécules microbiennes provenant de microorganismes à stratégie pathogène avirulent ou à stratégie mutualiste. Nous avons mesuré des évènements de signalisation et des flux de sucres induits en réponse à ces molécules microbiennes. Nos résultats ont mis en évidence que les chitotétrasaccharides (CO4), sécrétés par les champignons mycorhiziens à arbuscules dans les stades pré-symbiotiques de l’interaction, mobilisent les mêmes événements de signalisation précoce (H2O2 dépendant de la protéine rbohD, Ca2+ cytosolique, activation de MAPK) que la cryptogéine, un éliciteur des réactions de défense ; mais avec des réponses différentes en terme d’intensité et de cinétique. Les CO4 et la cryptogéine ont par ailleurs montré des impacts distincts sur les flux de sucres et l’expression de transporteurs impliqués. En complément nous avons montré un effet de la modification de la dynamique membranaire associée à la clathrine sur des évènements de signalisation déclenchés par la cryptogéine, ainsi que dans les flux entrants de sucres et l’expression de gènes de transporteurs de sucres. Enfin, l’analyse in silico de l’interactome de transporteurs de sucres chez la plante modèle A. thaliana, nous a permis d’apporter des connaissances supplémentaires quant aux évènements de régulations des transporteurs de sucres et l’identification de protéines régulatrices putatives en interaction avec ces derniers. L’ensemble de ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles recherches visant à élucider les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la mise en place des interactions entre plantes et microorganismes. / In their natural environment plants are in close interaction with beneficial, neutral, or pathogenic microbes, which are highly dependent on carbon resources exuded by plant roots. Sugar transport, which is a key process of plant physiology, is essential to support the fate of plant-microbe interactions. During evolution, plants have acquired the ability to perceive microbial molecules, initiating specific signal transduction cascades and leading to adapted response for microbe lifestyles (avirulent, virulent, or benefic). Plant survival will depend on the nature of the induced mechanisms. My PhD work, carried out on a simplified experimental system, contributes to the understanding of mechanisms underlying the determinism of plant-microbe interactions. We used Nicotiana tabacum cells in suspension exposed to microbial molecules derived from mutualistic or avirulent microbes. Using such a simplified system, we analyzed elements of the early signaling cascade and sugar fluxes. We have shown that CO4, which is originating from AMF, initiate early signaling components (rbohD-dependent H2O2, cytosolic Ca2+, MAPK activation) as cryptogein, a defense elicitor, but with distinct profile and amplitude. Those two molecules (CO4 and cryptogein) are responsible of different effects on sugar fluxes and the expression of the underlying sugar transporter genes. In addition, we presented an impact of the alteration of clathrin-mediated process on early signaling events triggered by cryptogein, as well as inward sugar fluxes and expression of sugar transporter genes. Finally, in silico analyses of sugar transporter interactome in Arabidopsis thaliana has provided some possible regulation mechanisms through the identification of new candidate proteins involved in sugar transporter regulation. These information open new perspectives towards a better understanding of the cellular and molecular mechanisms involved in plant-microbe interactions.

La cryptogéine, sécrétée par l’oomycète Phytophthora cryptogea, est un éliciteur protéique des réactions de défense qui active chez le tabac un ensemble d’événements de signalisation conduisant à la mise en place d’une mort cellulaire de type réponse hypersensible et d’une résistance systémique acquise. La caractérisation de la modulation de l’activité de kinases cytosoliques, dont SIPK et WIPK, par des événements de phosphorylation en réponse à la cryptogéine, traduit la place majeure que tiennent les modifications post-traductionnelles dans la cascade de signalisation induite dans les cellules de tabac en réponse à la cryptogéine. Il s’avère que la signalisation cellulaire induite par la cryptogéine, et impliquant ces protéines kinases, converge entre autre vers le noyau à travers la modulation de l’activité d’éléments nucléaires par phosphorylation. Dans ce contexte, d’importants travaux de purification/séquencage, visant à identifier les protéines nucléaires cibles de ces activités kinases, ont permis d’identifier deux isoformes redondantes d’histones désacétylases de type 2 nommés NtHD2a et NtHD2b qui sont rapidement phosphorylées en réponse à la cryptogéine dans les cellules de tabac.Ce travail de thèse s’inscrit dans l’étude du rôle de NtHD2a/b dans l’établissement du processus de mort cellulaire des cellules de tabac et de la RH in planta en réponse à la cryptogéine. Par des approches de pharmacologie ainsi que des approches de surexpression ou d’invalidation de l’expression de NtHD2a/b chez le tabac, nous avons d’une part confirmé l’implication de NtHD2a/b en tant que régulateurs négatifs de la mort cellulaire induite par la cryptogéine ou d’autres élicitines, et d’autre part mieux appréhendé les événements de la cascade de signalisation prépondérants dans l’établissement de cette mort cellulaire. Les mécanismes moléculaires sous-jacents à la mise en place de la mort cellulaire apparaissent complexes et semblent notamment impliquer la modulation de l’expression de gènes de défense, la synthèse de novo de protéines ainsi que l’activation de protéines kinases, dont notamment WIPK et SIPK.Des travaux relatifs à l’étude des événements de (dé)/acétylation dans les cellules de tabac traitées par la cryptogéine et invalidées dans l’expression de NtHD2a/b suggèrent le concours de modifications post-traductionnelles de protéines nucléaires telles que l’acétylation dans la mise en place de la mort cellulaire induite par la cryptogéine chez le tabac. / Cryptogein, which is secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea, is a proteinaceous elicitor of plant defense reactions that activates a set of signaling events leading to the hypersensitive response and to systemic acquired resistance. Although the early cytosolic signaling events induced by cryptogein are well described, the only nuclear events characterized to date are the variations in free calcium concentrations and defense-related gene expression. The characterization of the activation of cytosolic protein kinases, including WIPK and SIPK, by phosphorylation in response to cryptogein highlights the key-role played by posttranslational modifications in cryptogein-induced signaling events in tobacco cells. In this context, purification/sequencing approaches revealed that two redundant isoforms of type-2 nuclear histone deacetylases, NtHD2a and NtHD2b, were rapidly phosphorylated in cryptogein-treated tobacco cells.This thesis work is part of a comprehensive study of the role of NtHD2a/b in the establishment of the cell death process in tobacco cells and of the hypersensitive response in planta, in response to cryptogein. By using a pharmacological approach and overexpression and RNA interference-based approaches, we confirmed the involvement of NtHD2a/b as negative regulators of elicitin-induced cell death and we achieved a better understanding of cell death signaling events. The molecular events that underly the cell death process appear particularly complex and seem to involve the modulation of defense-related gene expression, de novo protein synthesis and protein kinase activation such as WIPK and SIPK.The study of (de)/acetylation events in tobacco cells treated by cryptogein and invalidated in NtHD2a/b expression suggests a role for posttranslational modifications in cryptogein-induced cell death.

Plants do not display an adaptive immune system but express an efficient innate immune system defending them by inducing sophisticated multilevel defense responses against different potential pathogens. Indeed, plant immune responses are triggered upon the detection of many common pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs/MAMPs) through specific pattern-recognition receptors (PRRs) and/or pathogen- or plant-derived signal molecules called elicitors. Cryptogein (Cry) and oligogalacturonides (OGs) are well known elicitors of defense reactions and their recognition induce a Ca2+-dependent signaling pathway: Ca2+ influx and subsequent free cytosolic [Ca2+] ([Ca2+]cyt) variations are earliest steps to trigger downstream plant defense signaling. Here we have demonstrated that elicitor-induced Ca2+ signaling in tobacco also takes place in mitochondria and chloroplasts. Pharmacological studies indicated that IP3-channels play an important role in the regulation of Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts. Mitochondrial respiration and energy dissipation mechanisms in chloroplasts are partly controlled by [Ca2+] in these organelles. Moreover, using pharmacological and genetic approaches, our data demonstrated that glutamate receptors homologs (GLRs) participate in OGs-mediated Ca2+ signaling in Arabidopsis. GLRs partly control OGs-induced nitric oxide (NO) production, reactive oxygen species (ROS) production and expression of defense-related genes. Importantly, plants treated with GLRs antagonists exhibited compromised resistance to necrotrophic fungal pathogen, Botrytis cinerea and biotrophic oomycete, Hyaloperonospora arabidopsidis. Analysis of Atglr single mutants revealed the important contribution of AtGLR3.3 in resistance against H. arabidopsidis. Moreover, striking similarities in gene expression levels were observed after OGs elicitation/H. arabidopsidis infection. Finally, transcriptomic analysis demonstrated that about 60 % of the total OGs-modulated genes modified their expression in GLRs-dependent manner. These GLRs-dependent genes belong to different functional categories including the category "responses to biotic stresses". Taken together, these data provide strong evidences of 1) elicitor-induced Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts in tobacco and 2) the regulation of elicitor/pathogen mediated plant defense signaling pathways through GLRs in Arabidopsis thaliana

Les plantes présentent une forme d’immunité innée face à des agents potentiellement pathogènes qui se traduit par l’induction de réponses de défense. Les réponses immunes des plantes sont induites après détection de motifs moléculaires associés à des pathogènes ou à des micro-organismes par des récepteurs reconnaissant spécifiquement ces motifs et/ou des molécules dérivées des agents pathogènes ou de la plante, appelés éliciteurs de réaction de défense. La cryptogéine (Cry) et les oligogalacturonates (OGs) sont des éliciteurs établis de réactions de défense et leur reconnaissance induit une signalisation Ca2+-dépendante : un influx calcique et une variation de la concentration cytosolique en Ca2+ libre ([Ca]cyt) sont des événements précoces induisant une voie de signalisation de défense. Nous avons démontré que chez le tabac, les éliciteurs induisent une signalisation calcique dans les mitochondries et les chloroplastes. Des études pharmacologiques indiquent que des canaux IP3-dépendants régulent la signalisation calcique induite par la Cry dans les mitochondries et les chloroplastes. La respiration mitochondriale et les mécanismes de dissipation de l’énergie dans les chloroplastes sont régulés en partie par la [Ca2+] dans ces organites. De plus, nous montrons par des approches pharmacologiques et génétiques, que des homologues aux récepteurs du glutamate (GLRs) participent à la signalisation calcique induite par les OGs dans Arabidopsis. Les GLRs contrôlent en partie la production d’oxyde nitrique (NO) et d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), ainsi que l’expression de gènes de défense. Par ailleurs, les plantes traitées par des antagonistes des GLRs, présentent une moindre résistance au pathogène fongique nécrotrophique, Botrytis cinerea et à l’oomycète biotrophique, Hyaloperonospora arabidopsidis. L’analyse de mutants Atglr révèle l’importante contribution de AtGLR3.3 dans la résistance envers H. arabidopsidis. De plus, de frappantes similarités dans l’expression de gènes sont observées après traitement par les OGs ou après infection par H. arabidopsidis. Enfin, une analyse transcriptomique montre qu’environ 60 % des gènes modulés par les OGs ont une expression qui dépend de GLRs. Ces gènes dépendants de GLRs appartiennent à diverses familles fonctionnelles dont celle répondant aux stress biotiques. En conclusion, ces études montrent 1) que les mitochondries et les chloroplastes présentent aussi une signalisation calcique induite par des éliciteurs de réaction de défense chez le tabac et 2) l’implication de GLRs dans la signalisation calcique induite par des éliciteurs ou des agents pathogènes et la résistance envers des agents pathogènes chez Arabidopsis / Plants do not display an adaptive immune system but express an efficient innate immune system defending them by inducing sophisticated multilevel defense responses against different potential pathogens. Indeed, plant immune responses are triggered upon the detection of many common pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs/MAMPs) through specific pattern-recognition receptors (PRRs) and/or pathogen- or plant-derived signal molecules called elicitors. Cryptogein (Cry) and oligogalacturonides (OGs) are well known elicitors of defense reactions and their recognition induce a Ca2+-dependent signaling pathway: Ca2+ influx and subsequent free cytosolic [Ca2+] ([Ca2+]cyt) variations are earliest steps to trigger downstream plant defense signaling. Here we have demonstrated that elicitor-induced Ca2+ signaling in tobacco also takes place in mitochondria and chloroplasts. Pharmacological studies indicated that IP3-channels play an important role in the regulation of Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts. Mitochondrial respiration and energy dissipation mechanisms in chloroplasts are partly controlled by [Ca2+] in these organelles. Moreover, using pharmacological and genetic approaches, our data demonstrated that glutamate receptors homologs (GLRs) participate in OGs-mediated Ca2+ signaling in Arabidopsis. GLRs partly control OGs-induced nitric oxide (NO) production, reactive oxygen species (ROS) production and expression of defense-related genes. Importantly, plants treated with GLRs antagonists exhibited compromised resistance to necrotrophic fungal pathogen, Botrytis cinerea and biotrophic oomycete, Hyaloperonospora arabidopsidis. Analysis of Atglr single mutants revealed the important contribution of AtGLR3.3 in resistance against H. arabidopsidis. Moreover, striking similarities in gene expression levels were observed after OGs elicitation/H. arabidopsidis infection. Finally, transcriptomic analysis demonstrated that about 60 % of the total OGs-modulated genes modified their expression in GLRs-dependent manner. These GLRs-dependent genes belong to different functional categories including the category “responses to biotic stresses”. Taken together, these data provide strong evidences of 1) elicitor-induced Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts in tobacco and 2) the regulation of elicitor/pathogen mediated plant defense signaling pathways through GLRs in Arabidopsis thaliana