L’agent phytopathogène Streptomyces scabiei est une bactérie du phylum actinobactérie présent dans les sols à travers le monde. S. scabiei est l’agent principal responsable de la gale commune de la pomme de terre. Cette maladie est coûteuse pour les producteurs de la pomme de terre. En effet, la pomme de terre va perdre sa valeur commerciale lorsque la bactérie attaque le périderme du tubercule et provoque des lésions liégeuses en surface ou plus ou moins en profondeur. C’est dans le périderme de la pomme de terre que la subérine va se déposer pour protéger le tubercule des agressions biotiques. Des études antérieures ont mis en évidence le rôle de la subérine comme inducteur de la production de thaxtomine A (phytotoxine essentielle à la virulence) chez S. scabiei. De même, la subérine va induire chez S. scabiei, la sécrétion d’enzymes dégradant les parois végétales, en particulier des glycosyl hydrolases, dont des cellulases. Cette thèse vise à élucider les mécanismes impliques dans la production de cellulases chez la souche S. scabiei EF-35. Dans un premier temps, le sécrétome de S. scabiei ayant poussé en présence de subérine et cellulose, soit avec un seul des deux polymères, a été analysé. Ces analyses du sécrétome ont révélé que l’addition de subérine dans un milieu contenant de la cellulose induisait une surproduction de glycosyl hydrolases. L’induction des enzymes cellulolytiques par la subérine, correlait avec la présence d’un inhibiteur de subtilase (SCAB_8801) qui pourrait jouer un rôle dans la différenciation cellulaire et le métabolisme secondaire. Ces résultats ont permis d’avancer un modèle dans lequel la subérine et le cellobiose jouent conjointement un rôle pour activer les mécanismes de virulence de la bactérie. Dans un deuxième temps, nous avons voulu savoir si le cellobiose (la molécule résultante de la dégradation de la cellulose) induisait des enzymes cellulolytiques chez S. scabiei, mais aussi chez deux autres espèces de Streptomyces pathogènes et une espèce de Streptomyces non pathogène. L’activité cellulolytique de S. scabiei en présence de subérine est beaucoup plus importante que lorsque la bactérie est en présence de cellobiose (de cinq à dix fois supérieure). De même, la présence de subérine dans le milieu de culture de S. scabiei augmente l’expression rélative des gènes des cellulases. Les deux autres Streptomyces pathogènes (S. acidiscabies et S. turgidiscabies) exhibent un profil contraire à S. scabiei. En effet, S. acidiscabies et S. turgidiscabies affichent une activité cellulolytique et une expréssion rélative des gènes de cellulases plus importante dans le milieu supplémenté de cellobiose que dans le milieu supplémenté de subérine. Streptomyces scabiei semble donc mieux adaptée que les autres espèces de Streptomyces à dégrader le matériel cellulosique encastré dans les parois subérisées du périderme. Les résultats présentés dans cette thèse visent à apporter des éléments de réponse pour mieux comprendre les interactions S. scabiei – pomme de terre. Ainsi, les biopolymères retrouvés dans la pomme de terre (subérine et cellulose) vont jouer un rôle crucial dans la virulence de l’agent phytopathogène. Cependant, il semblerait que S. scabiei s’est spécialisé au cours du temps à coloniser son hôte, la pomme de terre. La subérine induit la production de cellulases chez S. scabiei mais pas chez les autres deux Streptomyces pathogènes testés (S. acidiscabies et S. turgidiscabies). Ceci nous laisse penser que la subérine est impliquée dans des mécanismes qui restent encore à élucider.

La gale commune est l'une des maladies les plus répandues de la pomme de terre. Elle est caractérisée par des lésions superficielles ou profondes au niveau du tubercule. En effet, lors de la colonisation de la pomme de terre, le Streptomyces scabiei, principal agent pathogène de cette maladie, entre en contact avec la portion externe du tubercule, le périderme. Ce dernier est essentiellement composé de subérine, un polymère constitué d'acides gras estérifiés (portion aliphatique) et de composés phénoliques (portion aromatique). Or, plusieurs études antérieures ont révélé que la présence de la subérine dans le milieu de culture de l'agent phytopathogène S. scabiei induit la production d'enzymes ayant une activité estérasique. Le travail de cette thèse porte sur l'identification des enzymes hydrolytiques produites en présence de subérine. Pour identifier les enzymes pouvant être impliquées dans la dégradation de la subérine, deux approches ont été utilisées. La première consiste à identifier, dans le génome séquencé et annoté de S. scabiei souche 87-22, des gènes codant pour de possibles subérinases et à comparer l'expression de ces gènes dans différentes conditions expérimentales. La deuxième approche consiste à mener une étude protéomique des enzymes extracellulaires produites par le S. scabiei souche EF-35 en présence de subérine. Dans la première approche, nous avons identifié deux gènes (estA et sub1) codant pour des estérases de S. scabiei souche 87-22, de possibles subérinases. De plus, nous avons confirmé la présence de ces gènes dans le génome de S. scabiei souche EF-35. À l'aide de la technique de la PCR en temps réel, nous avons ensuite démontré que l'expression de ces deux gènes était fortement induite par la présence de subérine dans le milieu de culture, ce qui suggère une implication de ces gènes dans la dégradation de la subérine. Puis, nous avons testé la transcription de ces deux gènes en présence d'autres polymères végétaux. Les résultats obtenus montrent que tous les polymères testés induisent l'expression de estA, tandis que seules la subérine et la cutine (un polymère apparenté à la subérine) induisent l'expression de sub1. Ce dernier résultat suggère que sub1 (contrairement à estA) code pour une estérase ayant une spécificité envers la subérine et les polymères apparentés. Finalement, nous avons ensuite vérifié la présence d'orthologues des gènes estA et sub1 dans le génome de différentes espèces de Streptomyces par la technique de Southern blot. Il s'avère que des orthologues du gène estA se retrouvent dans le génome de plusieurs espèces de Streptomyces, alors que le gène sub1 n'a été retrouvé que dans celui de Streptomyces phytopathogènes. Cette observation suggère que le gène sub1 peut être un déterminant important lors de la colonisation du tubercule. Dans la deuxième approche, nous avons démontré que le S. scabiei souche EF-35 produisait une gamme d'enzymes extracellulaires, dont les principales catégories sont impliquées dans le métabolisme des lipides et le métabolisme et le transport des carbohydrates. Certaines enzymes identifiées peuvent jouer un rôle direct dans la dégradation de la subérine. De nombreuses xylanases, cellulases et glycosyl hydrolases sont produites en quantité importante en présence de la subérine et peuvent être impliquées dans l'hydrolyse des sucres liés à la subérine. Même si les processus liés à la dégradation enzymatique de la subérine demeurent en grande partie inconnus, ce travail de thèse établit une solide base pour étudier la dégradation de la subérine ainsi que pour déterminer le rôle des enzymes identifiées dans l'interaction entre le S. scabiei et sa plante hôte.

La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la capacité de transport d’eau de la racine. Lors de son trajet du sol vers le xylème, l’eau diffuse au sein de l’apoplasme ou au travers des cellules (voie de cellule-à-cellule). Au niveau de l’endoderme, la diffusion apoplasmique de l’eau est bloquée par le cadre de Caspari et des lamelles de subérine. La voie de cellule-à-cellule dépend principalement de l’activité des aquaporines régulées en partie par des interactions protéiques. Ce travail caractérise de nouveaux interactants de l’aquaporine racinaire PIP2;1 : le récepteur kinase RKL1 et 4 protéines de fonction inconnue appartenant à la sous-famille 1 des Casparian Strip membrane domain Protein Like (CASPL1) (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 est exprimée dans l’endoderme, est capable d’interagir physiquement avec PIP2;1 et stimule in vitro le transport d’eau par l’aquaporine. Cependant, l’inactivation de RKL1 n’affecte pas la Lpr sans que cela ne puisse être expliqué par une redondance fonctionnelle avec son plus proche homologue, RLK902. Une étude bibliographique suggère que l’interaction entre RKL1 et PIP2;1 interviendrait dans une voie de signalisation en réponse à une attaque pathogène. Concernant les CASPL, D1 est exprimé dans tous les tissus, alors que B1, B2 et D2 semblent uniquement exprimés dans des territoires subérisés. Ce profil suggère une implication de B1, B2 et D2 dans une régulation des aquaporines et de la subérisation. Au niveau moléculaire, D2, malgré son interaction physique avec PIP2;1, ne module pas le transport d’eau par l’aquaporine. En revanche, B1 interagit préférentiellement avec PIP2;1 sous une forme phosphorylée et stimule le transport d’eau par l’aquaporine. Au niveau de la plante entière, l’inactivation d’un ou deux gènes CASPL n’affecte ni la Lpr., ni la subérisation. Par contre, l’inactivation de PIP2;1 et PIP2;2 révèle un effet inhibiteur de ces aquaporines sur la subérisation. Cette étude a permis de décrire de nouveaux mécanismes originaux de régulation des aquaporines. Elle pose également, la question de l’existence d’une relation entre les transports d’eau par la voie apoplasmique et par les aquaporines. / The root hydraulic conductivity (Lpr) reflects the water transport capacity of the root. During its transfer from the soil to the xylem, water can diffuse in the apoplasm or through the cells (cell-to-cell pathway). At the endodermis, the apoplastic diffusion of water is blocked by the Casparian Strip and suberin lamellae. The cell-to-cell pathway mainly relies on aquaporin activity which can be regulated by protein interactions. This study aims at characterizing new interactants of the root aquaporin PIP2;1: the receptor kinase RKL1 and 4 proteins of unknown function belonging to the Casparian Strip membrane domain Protein Like 1 sub-family (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 is expressed in the endodermis, can physically interact with PIP2;1 and stimulates its water transport function in vitro. However a loss-of-function of RKL1 does not affect the Lpr., independently of a putative functional redundancy with its closest homolog RLK902. Concerning CASPL, D1 is expressed in every tissue of the root whereas B1, B2 and D2 appear to be specifically expressed in suberized tissues. This suggests a putative role of these isoforms in aquaporin regulation and suberisation. At the molecular level, D2 does not modulate PIP2;1 water transport activity despite a physical interaction between the two partners. By contrast, B1 interacts with PIP2;1 preferentially in its phosphorylated form and enhances the water transport activity of the aquaporin. At the plant level, disrupting one or two CASPL genes neither impact the Lpr nor affect the suberisation. However, the loss of function of both PIP2;1 and PIP2;2 reveals a negative effect of these aquaporins on suberisation. In conclusion, this study, uncovered novel regulation mechanisms of aquaporins. It also raises the question of the existence of a putative relationship between water transport by the apoplastic pathway and by aquaporins.

La matière organique des sols (MOS) représente un réservoir majeur de carbone. Certaines pratiques agricoles ont pour effet de minéraliser la MOS. Dans un système où les résidus de cultures sont retournés au sol, la biomasse racinaire contribue plus à la MOS que les parties aériennes, alors que la proportion de MO contenue dans les racines est plus faible. Afin de mieux comprendre les processus de dégradation et/ou de stabilisation de la MOS, nous avons choisi d'étudier dans une chronoséquence blé/maïs, la dynamique des marqueurs de deux biopolyesters, les cutines et les subérines, spécifiques des parties aériennes et souterraines des plantes. Le blé est une plante en C3 (13C ≈ -28‰) alors que le maïs est une plante en C4 (13C ≈ -12‰). Ce dispositif permet de suivre in situ, l'incorporation des marqueurs provenant du maïs à la MOS, par mesure de leur 13C dans le sol. Les marqueurs des cutines du maïs ne sont pas ou peu incorporés à la MOS, alors que ceux des subérines du maïs le sont, lors des six premières années de culture de maïs. Les marqueurs des cutines sont stabilisés dans le sol, soit parce qu'ils appartiennent à un compartiment chimiquement réfractaire, soit parce qu'ils sont protégés par la matrice du sol (protection physique, adsorption sur les minéraux). Les marqueurs des subérines, présentent deux compartiments cinétiques, un rapidement renouvelable, l'autre plus stable suivant les mécanismes de protections semblables à ceux des cutines. En profondeur, la concentration des marqueurs des subérines des racines de maïs augmente alors que celle des cutines diminue, indiquant que le changement de culture de blé à maïs influence la dynamique de la MOS.

Chez les plantes, la subérine est un biopolymère constitué de composés aliphatiques etaromatiques déposés au niveau de la paroi des cellules de plusieurs tissus comme l’endodermeet le périderme des racines ou encore le manteau des graines. La subérine forme une barrièrehydrophobe permettant entre autres de contrôler les flux d’eau et de solutés, et de protéger laplante de stress environnementaux comme la sécheresse ou les pathogènes. Grâce à desanalyses en LC-MS/MS et en GC-MS, nous avons pu montrer que la majorité des alcools grasprésents dans la fraction soluble de racines d’Arabidopsis thaliana est sous forme d’alkylcaféates et d’alkyl coumarates. De plus, nous avons montré que ces cires associées aupolymère de subérine sont présentes dès les premiers stades du développement de la racine.Une étude de la distribution des chaînes acyles des racines nous a permis de mettre enévidence la contribution majeure des alcools gras dans la composition de la subérine ainsi quel’importance de la subérine dans le métabolisme lipidique des racines. Afin d’identifier desacteurs impliqués dans l’export des précurseurs de la subérine vers l’espace extracellulaire,nous avons mené une approche de génétique inverse en utilisant des lignées mutées pour desgènes codant notamment pour des ABCG transporteurs co-exprimés avec des gènes connuspour participer à la biosynthèse de la subérine. Les résultats de ces analyses ont confirmé quele processus d’export fait intervenir plusieurs protéines pouvant avoir des fonctionsredondantes et ont suggéré l’implication d’un nouveau transporteur dans l’export desprécurseurs de subérine. / In plants, suberin is a complex biopolymer made of aliphatic and aromatic compounds.It is deposited in the cell wall of tissues such as the endoderm and the periderm of roots or thecoat of the seeds. Suberin forms a hydrophobic barrier controlling the flow of water andsolutes, and protecting the plant from environmental stresses such as drought or pathogens.Through LC-MS/MS and GC-MS analyses, we have shown that the majority of the fattyalcohols present in the soluble fraction of Arabidopsis roots is in the form of alkyl caffeatesand alkyl coumarates. Such waxes, most probably associated with the suberin polymer, arealready detected at early stages of root development. A study of the distribution of all acylchains present in roots allowed us to highlight the major contribution of fatty alcohols in thecomposition of suberin and the importance of suberin in the global lipid metabolism of theroots. To identify proteins involved in the export of suberin precursors to the extracellularspace, we conducted a reverse genetic approach using lines mutated in genes coding forseveral ABCG transporters which were co-expressed with genes known to participate in thebiosynthesis of suberin. The results of these analyses confirmed that the export processinvolves several proteins that can have redundant functions, and supported the involvement ofa new transporter in the export of the suberin precursors.