Le silicium est un élément abondant dans la croûte terrestre, et son absorption aurait des effets bénéfiques chez plusieurs plantes, parmi lesquels l'accroissement de la résistance à divers stress biotiques et abiotiques est le mieux documenté. La plus grande partie du silicium absorbé par une plante est polymérisée de façon irréversible sous forme de phytolithes (silice amorphe, SiO2.nH2O). La théorie initialement avancée pour expliquer son rôle, notamment dans le contexte d'interactions plante-agent pathogène, est celle de la « barrière mécanique » qui stipule qu'une couche subcuticulaire de silice empêcherait la pénétration d'agents pathogènes fongiques. Par ailleurs, une certaine quantité demeure en solution dans la plante sous forme d'acide monosilicique (tLjSiC^), et l'on croit maintenant que cette fraction est responsable des propriétés prophylactiques du silicium en modulant les réponses de défense des plantes. L'effet bénéfique du silicium sur l'incidence et l'intensité de maladies fongiques a été décrit dans une variété de pathosystèmes. Toutefois, la nature exacte de l'interaction entre le silicium et les mécanismes de défense ou de résistance est inconnue et demeure un sujet controversé. Nous proposons que le silicium influence l'activité biochimique de composantes responsables de la signalisation intracellulaire post-élicitation, et qu'il a donc un rôle bioactif dans la défense ou la résistance des plantes contre les agents pathogènes fongiques. Afin de mieux comprendre l'effet biologique du silicium et son implication prophylactique, nous avons effectué une analyse transcriptomique complète, à l'aide de la technologie des micropuces d'oligonucléotides, de plants (¥Arabidopsis thaliana sains ou infectés par le blanc (Erysiphe cichoracearum) et traités ou non avec le silicium. L'application de silicium assimilable aux plants sains a significativement altéré l'abondance relative de seulement deux des ca. 40 000 transcrits (28 500 gènes et plus de 10 000 transcrits non annotés) présents sur la micropuce. En revanche, l'inoculation avec Erysiphe cichoracearum s'est traduite par une induction significative de 2 387 gènes et une répression de 1 583 gènes. Pour chaque gène et à l'aide d'un ensemble de procédés informatiques innovateurs, nous avons généré une annotation fonctionnelle unique et simplifiée en utilisant l'annotation finale du génome d'Arabidopsis, l'encyclopédie de Kyoto des gènes et des génomes (KEGG), les sentiers biochimiques « Aracyc », et deux bases de données publiques de facteurs de transcription (DATF et ATTFDB). Les gènes exprimés différentiellement en fonction des traitements ont été classés dans 58 classes fonctionnelles dont 24 classes directement impliquées dans les mécanismes de défense et la pathogenèse. Cette approche a permis d'apprécier dans sa globalité la cascade d'événements transcriptionnels impliqués dans l'interaction Arabidopsis-blanc en présence ou absence de silicium. En réponse à l'infection, 73% des gènes de défense (gènes de résistance, facteurs de transcription liés au stress, gènes impliqués dans la génération de signaux de stress, la synthèse de composés antimicrobiens, le métabolisme de l'oxygène réactif, protéines PR, etc.) ont été significativement induits. En contrepartie, la maladie a affecté certains processus essentiels comme la photosynthèse et le métabolisme énergétique. L'apport de silicium s'est traduit par une atténuation médiane de 25% de la répression des gènes chez les plantes infectées, alors que l'induction attribuable à l'infection a été maintenue à une intensité similaire chez les plantes témoin et celles traitées au silicium. Le rôle du silicium en biologie végétale, son statut essentiel ou bénéfique, son effet direct ou indirect sur la croissance, et son mode d'action bioactif ou mécanique sont discutés depuis plusieurs décennies. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude mènent à conclure que le silicium seul n'a pas d'effet sur le métabolisme de plantes qui croissent dans un environnement contrôlé (sans stress), ce qui supporte l'hypothèse que le silicium n'est pas un élément essentiel. L'apport de silicium assimilable accroît la résistance à l'infection fongique, ce qui se traduit par une atténuation de la répression des gènes impliqués dans le métabolisme énergétique et la photosynthèse; le silicium est donc bénéfique pour une plante en situation de stress, en l'occurrence une infection fongique. Le mode d'action du silicium dans la prophylaxie et dans l'atténuation du stress semble actif car l'induction génique par l'agent pathogène Erysiphe cichoracearum est maintenue chez les plantes traitées; l'influence du silicium ne peut donc pas être réduite à un effet mécanique. / Silicon the second most abundant element in the earth's crust; it would have beneficial effects on the growth of several plants, among which the increase in resistance to various biotic and abiotic stresses is the best documented. Most of the silicon absorbed by a plant is polymerized under the form of phytoliths (amorphous silica, SiO2.nH2O). The initial theory for explaining its role, in particular in the context of plant-pathogen interactions, is that of the « mechanical barrier » which stipulates that a subcuticular layer of silica would prevent the penetration of fungal pathogens. However, a certain quantity of silicon remains in solution as monosilicic acid (H4SiO4), and it is now believed that this fraction is responsible for the prophylactic properties of silicon by modulating the plant's defence response. The beneficial effects of silicon on the incidence and the intensity of fungal diseases were described in a variety of pathosystems. However, the exact nature of the interaction between silicon and plant defence or resistance mechanisms is unknown. We propose that silicon influences the biochemical activity of components responsible for post-elicitation intracellular signaling, and that it thus has a bioactive role in the defence or the resistance of plants against pathogenic fungi. In order to study the biological and prophylactic effects of silicon treatment, and using the oligonucleotide microarray technology, we carried out a complete transcriptome analysis of Arabidopsis plants inoculated or not with powdery mildew (Erysiphe cichoracearum) and treated or not with silicon. The application of silicon to non-inoculated plants significantly altered the relative abundance of only two out of ca. 40,000 transcripts (28,500 genes and over 10,000 unannotated transcripts). On the other hand, the inoculation with Erysiphe cichoracearum resulted in the significant induction of 2,387 genes and to the repression of 1,583 genes. For each gene and using innovative data-processing methods, we generated a single simplified functional annotation by using the final annotation of the Arabidopsis genome, the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), Aracyc biochemical pathways and two public databases of transcription factors (DATF and ATTFDB). The differentially expressed genes were classified into 58 functional categories including 24 categories directly involved in plant defence mechanisms and pathogenesis. This approach made it possible to appreciate as a whole the cascade of transcriptional events involved in the interaction Arabidopsis-powdery mildew in presence or absence of silicon. In response to the infection, 73% of defence genes (R genes, stress-related transcription factors, genes responsible for the generation of stress signals, the synthesis of antimicrobial compounds, metabolism of reactive oxygen species, PR proteins, etc.) were significantly induced. On the other hand, the disease critically affected essential processes such as photosynthesis and energy metabolism. Silicon treatment resulted in a 25% median attenuation of the repression in infected plants, whereas induction was maintained to a similar level in control and silicon treated plants. The role of silicon in plant biology, its essential or beneficial status, its direct or indirect effect on growth, and its bioactive or mechanical mode of action are discussed for decades. Results obtained in this study lead us to conclude that silicon alone does not have an effect on the metabolism of plants growing in a controlled environment (i.e. without stress), which supports the assumption that silicon is not an essential element. Silicon treatment increases the resistance to fungal infection, which results in an attenuation of the repression of genes involved in the energy metabolism and photosynthesis; silicon is thus beneficial for a plant under biotic stress. The mode of action of silicon in prophylaxis and stress attenuation seems active because gene induction by the fungal pathogen Erysiphe cichoracearum is maintained in silicon treated Arabidopsis; the influence of silicon thus cannot be reduced to a mechanical effect.

Le silicium (Si) est un élément ubiquiste et abondant dans l’environnement. L'absorption de Si par les plantes leur confère une résistance accrue à différents stress. Il y a une corrélation positive entre les effets bénéfiques observés et la quantité de Si absorbée via des transporteurs racinaires. Deux groupes de transporteurs d’influx et d’efflux ont été identifiés récemment dans les racines de certaines plantes supérieures. Afin de mieux utiliser le potentiel du Si, il est essentiel d’élargir le spectre des espèces végétales étudiées. Cette thèse utilise comme modèle une plante primitive fortement accumulatrice de Si : la prêle des champs (Equisetum arvense). L’objectif principal des travaux était d’identifier et de caractériser les transporteurs de Si de la prêle. Une approche utilisant le séquençage du transcriptome racinaire de la prêle a d’abord permis d’identifier chez cette plante une famille multigénique de transporteurs d’influx de Si : des aquaporines du sous-groupe des NIP. Une analyse phylogénétique ainsi qu’une comparaison des domaines fonctionnels ont permis de découvrir que les transporteurs de prêle appartiennent à un groupe de transporteurs distinct de celui des plantes supérieures. Les NIP de prêle ont un pore STAR, versus le pore GSGR commun à tous les autres transporteurs d’influx de Si. Afin d’en déterminer la fonction, les protéines de prêle ont été exprimées de façon hétérologue dans des ovocytes de Xenopus et chez Arabidopsis. Les résultats démontrent un influx élevé de Si. Les travaux ont ensuite permis d’identifier deux transporteurs Lsi2 d’efflux de Si chez la prêle, partageant une faible identité avec leurs homologues des plantes supérieures. Afin d’en déterminer la fonction, un des Lsi2 de prêle a également subi une expression hétérologue dans des ovocytes de Xenopus, confirmant qu’il s’agit d’un transporteur d’efflux de Si. Il est probable que l’absorption élevée de Si par la prêle soit due à l’abondance du nombre de gènes codant pour des transporteurs d’influx et d’efflux, mais aussi par l’activité spécifique élevée de ces transporteurs. Les travaux sur les transporteurs de Si chez la prêle permettent une comparaison entre les plantes primitives et les plantes agricoles modernes, afin d’optimiser l’usage du Si contre les stress. / Silicon (Si) is an abundant element in the environment. Plants benefit greatly from Si absorption, which results in increased resistance to stresses. There appears to be a link between high Si absorption via specific transporters, and the beneficial effects linked to this element. Recently, two groups of Si influx and efflux transporter were identified in the roots of Si-accumulating higher plants. Horsetail (Equisetum arvense) is a primitive plant and one of the strongest Si accumulators in the plant kingdom. The main objective of this thesis was to identify and characterize horsetail Si transporters. By sequencing the horsetail root transcriptome, we identified a multigene family of aquaporin Si influx transporters: aquaporins of the subgroup NIP. Comparison of known functional domains and phylogenetic analysis of sequences revealed that the horsetail proteins belong to a different group than higher-plant Si transporters. The horsetail proteins contain a STAR pore as opposed to the GSGR pore common to all previously identified Si influx transporters. In order to determine its functionality, the proteins were heterologously expressed in both Xenopus oocytes and Arabidopsis, and the results showed high Si influx activity. We also identified in horsetail two homologues of Lsi2 Si efflux transporters that share low sequence identity with their higher plant homologues. In order to determine its functionality, one of the horsetail Lsi2 was heterologously expressed in Xenopus oocytes, confirming its Si efflux activity. Overall, high Si accumulation by horsetail may be linked to the number of Si influx and efflux transporter, but also to their high transport activity. These findings on horsetail Si transporters allow a comparison between primitive plants and agronomic species, to optimize the use of Si against stresses.

L'objectif de ce projet visait à déterminer si le silicium (Si), reconnu pour son effet prophylactique contre les agents biotrophes, pouvait protéger le soja contre Phytophthora sojae, un oomycète hemi-biotrophe. Le défi initial consistait à développer une méthode d'inoculation qui reproduisait le processus d'infection naturelle tout en permettant aux plants d'absorber le Si. Dans un premier temps, l'inoculation de zoospores dans une solution hydroponique a permis de générer des infections reproductibles conséquentes avec les réponses phénotypiques attendues. Dans un deuxième temps, l'ajout de Si a permis de réduire significativement l'incidence de la maladie tout en augmentant le rendement des plants. Cet effet était surtout manifeste sur les cultivars possédant un niveau de résistance contre P. sojae ou sur ceux absorbant plus de Si. Nous proposons ainsi une nouvelle méthode d'inoculation de P. sojae représentative de l'infection naturelle et démontrons que le Si peut servir pour la lutte contre cet oomycète.

L’ascomycota Podosphaera aphanis est responsable de la maladie du blanc du fraisier, ce qui nécessite plusieurs applications de fongicide afin de le réprimer. Plusieurs recherches ont démontré qu’un amendement racinaire de silicium (Si), peut réduire le blanc chez différentes espèces de plantes. Par conséquent, il est probable que le Si pourrait être utilisé chez le fraisier afin de réduire l’utilisation de fongicides, une forte problématique chez cette culture. Cette étude a été réalisée afin d’évaluer le rôle prophylactique du Si contre P. aphanis. Trois et six cultivars ont été testés en 2014 et 2015, respectivement, afin de déterminer leur sensibilité à l’infection par P. aphanis en fonction de leur absorption de Si sous grand tunnel. Les fraisiers traités avec Si ont démontré une quantité significativement plus élevée de Si dans les feuilles comparativement aux plants témoins sans Si lors des deux années (P< 0,0001). Il y a eu une variation significative d’absorption de Si entre cultivars ayant le traitement de Si en 2014 et 2015 sauf lors de la période de septembre 2015 (P=0.2804). Par contre, en général, les jours courts ont absorbé plus de Si que les jours neutres de façon significative (P< 0,0001). Les deux années, le traitement de Si a réduit significativement l’intensité et l’incidence de P. aphanis sur les feuilles et les fruits (P< 0,0001) avec les cultivars Verity et Charlotte démontrant la plus grande réduction. Finalement, les plants traités avec Si ont produit significativement plus de fruits vendables en 2014 et 2015. Ces résultats appuient l’hypothèse que le Si peut être utilisé à titre préventif contre P. aphanis dans un contexte commercial. / The Ascomycota Podosphaera aphanis is responsible for strawberry powdery mildew and requires multiple fungicide applications to be controlled. Several studies have shown that silicon (Si), in the form of soil amendments, reduces powdery mildew in multiple crops. Therefore, it is probable that Si could be used for strawberry in order to reduce pesticide input which is problematic for strawberry culture. This study was conducted to evaluate the prophylactic role of Si against P. aphanis. Three and six day neutral cultivars were tested in 2014 and 2015, respectively, for their susceptibility to P. aphanis and their absorption rate of Si in a high tunnel setting. Strawberries supplied with Si showed a significant increase in Si content in leaves compared to untreated plants in both years (P< 0.0001). There was a significant difference in absorption between cultivars that had the Si treatment in 2014 and 2015 except during the period of September 2015 (P=0.2804). On the other hand, in general, June-bearing cultivars absorbed significantly more Si compared to day neutral cultivars (P< 0.0001). In both years, Si treatment significantly reduced P. aphanis intensity and incidence on leaves and fruits (P< 0.0001) with cvs. Verity and Charlotte showing the greatest reduction. Finally, plants treated with Si produced significantly more marketable fruits in both 2014 and 2015. These results support the hypothesis that Si could be used as a preventive control measure against P. aphanis in a commercial setting.

Depuis maintenant plusieurs années, il a été démontré que le silicium (Si) protège les plantes dans moult interactions hôte-agent pathogène. Cependant, les mécanismes par lesquels le Siexerce son rôle prophylactique restent flous. Dans les interactions plante-agent pathogène, en particulier dans le cas des agents biotrophes qui reposent fortement sur la formation d’haustoria et la libération d’effecteurs pour leur virulence, l’expression et la localisation des effecteurs dictent souvent le résultat de cette interaction. Il est maintenant connu que le Si s’accumule dans l’apoplaste des tissus végétaux. Étant donné que l'apoplaste est un site clé pour l’interaction entre les effecteurs des agents pathogènes biotrophes et les récepteurs membranaires des cellules végétales, nous avons émis l’hypothèse que le Si interfèrerait avec la reconnaissance effecteur / récepteur, ce qui conduirait à une résistance accrue des végétaux. Lors de mes travaux de doctorat, nous avons préconisé une approche holistique pour l’étude de l’impact du Si dans l’interaction soya-Phytophthora sojae. Brièvement, nous avons analysé les réponses phénotypiques de l’interaction en présence de Si, nous avons effectué une étude histologique poussée sur les racines de soya infecté par P. sojae, nous avons effectué une analyse transcriptomique complète de la plante et de l’agent pathogène au fil du temps, et nous avons tenté de localiser la présence d’effecteurs au niveau subcellulaire grâce à l’immunocytochimie et le marquage à fluorescence. Lors de ces travaux, nous avons pu observer une reconnaissance rapide de l'hôte par P. sojae grâce au développement de corps ressemblant à des haustoria, suivie de l'expression et de la libération d'effecteurs dans la région apoplastique et d'une expression élevée des gènes liés àla défense et ce, à un stade précoce. Chez les plantes préalablement traitées au Si, une pathogenèse limitée a été observée, tandis que l’expression des gènes de défense de la plante était limitée et que la présence d’effecteurs tels le Avr6 était à la baisse dans la région apoplastique. Ces résultats indiquent que le Si interfère avec la reconnaissance de l'hôte par l'agent pathogène, ce qui entraîne une interaction incompatible. / Silicon (Si) has been shown to protect plants in a number of host-pathogen interactions, however, the mechanisms by which it exerts its prophylactic role remain elusive. In plantpathogen interactions, especially a biotroph that relies heavily on the formation of haustorium and release of effectors for its virulence, the expression, and localization of effectors will often dictate the outcome of that interaction. Given that the apoplast is a key site of interaction between effectors and plant defenses receptors, as well as the site of amorphous-Si accumulation, it is not unlikely that Si interferes with effector/receptor recognition, which would lead to an incompatible interaction. We have conducted a holistic approach by studying the impact of Si in the interaction soybean-Phytophthora sojae through analysis of the phenotypic responses, the histology of P.sojae-infected soybean roots, gene expression analyses for the plant and the pathogen over time, and sub-cellular localization of target effectors through immunolocalization and fluorescence-labeling. In control plants, we observed a rapid host recognition by P. sojae through the development of the haustorium-like bodies, followed by expression and release of effectors into the apoplastic region and high expression of defense-related genes at early-stage (2-4 dpi). A Si treatment resulted in limited pathogen development, and significantly lower expression and presence of Avr6 in the apoplastic region, as well as a significant reduction in expression of plant defense genes. These results indicate that the Si interferes with host recognition by the pathogen which translated into an incompatible interaction.