En raison de leur capacité à former une symbiose avec des bactéries du sol appelées Rhizobium, ces bactéries fixent l’azote atmosphérique et leurs plantes-hôtes n’ont donc pas besoin de fertilisant azoté, les légumineuses jouent un rôle important dans l'agriculture. En outre, certaines souches de Rhizobium ont la capacité de solubiliser le phosphate, fournissant ainsi du phosphore assimilable aux plantes hôtes. Une aptitude à lutter contre certains agents pathogènes a aussi été démontrée dans plusieurs études. La présente étude évalue l’efficacité symbiotique de rhizobiums tunisiens, leur capacité à solubiliser le phosphate, et leur aptitude à lutter contre la verticilliose ainsi que d’autres champignons pathogènes chez Medicago truncatula. Trente-six isolats de rhizobiums prélevés sur des nodules racinaires de M. truncatula provenant de différentes régions de Tunisie ont été obtenus pour ce travail. Environ 60% de ces isolats étaient capables de solubiliser le phosphate in vitro. Dans une seconde étape, trois rhizobiums solubilisant le phosphate et un isolat incapable de solubiliser le phosphate in vitro ont été utilisés pour des essais en phytotron afin de voir l’effet de la présence des rhizobiums sur les paramètres de croissance des plantes en présence de phosphate inorganique sous forme de CaHPO4 et rocheux sous forme brute. Les résultats de l’essai montrent que les plantes de la lignée A17 traitées au CaHPO4, ont tendance à produire plus de nodules et de biomasse aérienne que la lignée F83005.5 et que la forme du phosphate utilisé, soluble ou non soluble, affecte les paramètres étudiés. L'inoculation de quatre lignées de M. truncatula avec 16 isolats de rhizobium sélectionnés auparavant a montré une interaction significative entre les isolats et les lignées pour la symbiose visible par la formation de nodules. Tous les isolats de rhizobium testés ont augmenté la biomasse aérienne des plantes, réduit la biomasse racinaire et entraîné une teneur plus élevée en azote mais l’effet dépendait de l’isolat de rhizobium et de la lignée de M. truncatula utilisés. Enfin, ces isolats ont été testés pour leur capacité à protéger des plantes de M. truncatula contre une maladie racinaire, la verticilliose. Des activités antagonistes in vitro contre divers champignons pathogènes dont Verticillium et Fusarium ont également été recherchées permettant d’identifier un isolat efficace pour la lutte biologique. Les résultats de cette étude suggèrent que des isolats de rhizobium sélectionnés pourraient être utilisés comme biofertilisants dans les sols pauvres pour réduire l'utilisation d'engrais chimiques azotés et phosphorés mais pas pour lutter contre la verticilliose. / Because of their ability to form a symbiosis with soil bacteria called Rhizobium, legumes play an important role in agriculture. These bacteria fix atmospheric nitrogen; hence their host plants do not need nitrogen fertilizers. In addition, some strains of Rhizobium have the ability to solubilize phosphate, thus providing phosphorus to host plants. An ability to control certain pathogens has also been demonstrated in several studies. The present study evaluates the symbiotic efficiency of Tunisian rhizobia, their ability to solubilize phosphate, and their ability to control Verticillium wilt and other pathogenic fungi in Medicago truncatula. Thirty-six rhizobial isolates were obtained from root nodules of M. truncatula from different parts of Tunisia were used in this work. About 60% of these isolates were able to solubilize phosphate in vitro. In a second step, three phosphate solubilizing rhizobia and one isolate unable to solubilize phosphate in vitro were used for phytotron assays to see the effect of the presence of rhizobia on plant growth parameters in the presence of soluble and insoluble forms of phosphate. The results of the experiment show that A17 plants treated with CaHPO4, tend to produce more nodules and shoot biomass than F83005.5 and that the phosphate form used, soluble or non-soluble, affects parameters studied. Inoculation of four M. truncatula lines with 16 previously selected rhizobial isolates showed significant interaction between isolates and lines for symbiotic abilities as visualised by nodule formation. All rhizobial isolates tested increased above-ground biomass, reduced root biomass, and increased nitrogen content with strains effects of plant genotype and bacterial isolate. Finallly, these isolates were tested for their ability to protect M. truncatula plants against Verticillium wilt, and to inhibit the growth of pathogenic fungi such as Verticillium and Fusarium in vitro. However, no isolate could be identified as effective for biological control. The results of this study suggest that selected rhizobial isolates could be used as biofertilizers in poor soils to reduce the use of nitrogen and phosphorus fertilizers but not to control Verticillium wilt.

Les légumineuses font parties des familles les plus cultivées à la fois pour l'alimentation humaine et pour l'alimentation animale. Une des maladies principales de la luzerne (Medicago sativa), plante fourragère la plus cultivée au monde, est la verticilliose causée par Verticillium alfalfae, un champignon du sol. Sans traitements phytosanitaires efficaces et pratiques pour les maladies causées par des pathogènes du sol, la protection des cultures passe par la sélection de variétés résistantes. Dans cette thèse, la légumineuse modèle Medicago truncatula a été utilisée afin d'identifier des gènes candidats à la résistance quantitative à Verticillium alfalfae V31-2 (Va V31-2). La première étape de ces travaux a révélé des sources de résistance à la souche Va V31-2 au sein de l'espèce M. truncatula. Pour cela, 261 lignées (dont 246 accessions issues du projet MtHapMap) ont été inoculées et le développement de flétrissements foliaires a été suivi pendant quatre semaines, suivi d'un réisolement du pathogène à partir des parties aériennes. Ces analyses ont révélé une grande biodiversité de réponse à la verticilliose au sein de l'espèce Medicago truncatula, avec une variabilité inter et intra-populations. Dans une seconde partie, des QTL pour la résistance partielle à la verticilliose ont été identifiés par génétique d'association (GWAS) permettant la découverte de nouveaux QTL de résistance à Va V31-2 et la confirmation de la présence d'un QTL majeur sur le chromosome 7 précédemment décrit. Selon les phénotypes de maladie utilisés pour l'étude de GWAS, les QTL détectés sont différents, ce qui suggère des contrôles génétiques différents pour l'évolution des symptômes de maladie et la colonisation des parties aériennes par Va V31-2. Une seconde analyse de GWAS menée sur 90 accessions de la population tunisienne Soliman a révélé des gènes candidats différents de ceux identifiés à partir de la collection MtHapmap, suggérant une possible adaptation locale. La validation fonctionnelle de gènes candidats pour la résistance partielle a été entamée, en privilégiant ceux situés sur le chromosome 7, à la convergence de différentes études génétiques. La mise en place d'un système d'inoculation in vitro de racines transgéniques a permis de révéler le rôle du gène Medtr7g070480 codant pour une protéine SEC14 dans la résistance à Va V31-2. L'extinction de l'expression de ce gène par microARN artificiel dans le génotype A17 (résistant) et F83005.5 (sensible) diminue la colonisation des racines par Va V31-2, alors que sa surexpression augmente la colonisation chez A17 : il s'agirait donc d'un gène de sensibilité. L'unique polymorphisme génétique entraînant une substitution non synonyme entre A17 et F83005.5 explique 18,5% de la variation du niveau de résistance observée au sein des 246 accessions MtHapmap. L'étude de l'expression racinaire du gène MtSEC14 24 heures après inoculation par Va V31-2 dans un panel de 14 accessions sensibles et résistantes n'a pas montré de différences significatives entre ces deux types d'accessions. En parallèle, des gènes orthologues aux gènes candidats à la résistance à V. alfalfae ont été identifiés chez d'autres plantes modèles (Lotus japonicus, Arabidopsis thaliana, Nicotiana sp.), puis la pathogénicité de Va V31-2 a été testée chez ces espèces en vue de leur éventuelle utilisation pour valider le rôle de ces gènes. Un unique orthologue à MtSEC14 a également été identifié chez Medicago sativa. Grâce à la synténie entre M. truncatula et M. sativa, nos travaux pourront très probablement être transférés à la luzerne cultivée. A notre connaissance, ces travaux mettent en évidence pour la première fois le rôle d'un gène de sensibilité dans une résistance partielle à un micro-organisme chez les Légumineuses. / Pathogens, animals and weeds are responsible for losses ranging from 20% to 40% of global agricultural yield. Legumes are the second most grown crops after cereals as human and animal food, and their yield is also affected by pathogens. Verticillium alfalfae is a soil-borne pathogen causing high yield losses in alfalfa fields (Medicago sativa), the most worldwide legume forage crop grown. To date, there is no chemical control and crop breeding is the best way to protect alfalfa against V. alfalfae. However, Medicago sativa has a complex genome (allogamous and tetraploid), therefore in this work the model legume Medicago truncatula (diploid and self-fertile) was used to investigate genetic mechanisms involved in V. alfalfae V31-2 (Va V31-2) resistance. First, several sources of resistance were identified in M. truncatula biodiversity by assessing disease symptoms development in 261 lines from the Mediterranean basin inoculated by V. alfalfae V31-2. Reisolation of V. alfalfae V31-2 in M. truncatula stems was also led. These analyses revealed a great biodiversity of M. truncatula response towards Va V31-2. A genome wide association study (GWAS) on various disease phenotypes pinpointed several quantitative trait loci (QTL): one of them colocalized with a previous major QTL on chromosome 7 detected on LR4 and LR5 RILs populations. Both phenotypic and genetic analyses thus suggest the occurrence of different resistance mechanisms in M. truncatula populations towards V. alfalfae. Resistant candidate genes towards Va V31-2 were also identified by GWAS using 90 accessions of M. truncatula Soliman Tunisian population. These candidate genes are different from the pinpointed candidate gene of our previous GWAS analysis. These results might underline a local adaptation towards Verticillium. Consistencies between GWAS results with previous QTL and transcriptomic data led us to perform the functional validation with the candidate genes localized on chromosome 7. An original in vitro inoculation system of M. truncatula transgenic roots was used to validate Medtr7g070480 (gene encoding a SEC14 protein) as a key player towards V. alfalfae V31.2 in M. truncatula. Silencing the SEC14 gene using artificial microRNA in A17 (resistant) and F83005.5 (susceptible) lines decreases Va V31-2 colonization rate on transgenic roots whereas overexpressing MtSEC14 increases the colonization rate in A17. This MtSEC14 gene appears as a disease susceptibility gene. Moreover, 18.5% of the disease variation in the studied M. truncatula accessions is explained by the unique non-synonymous polymorphism between A17 and F83005.5 in MtSEC14. Root expression patterns of the SEC14 gene one day after inoculation by Va V31-2 was also analyzed in response to inoculation among a panel of 14 susceptible and resistant M. truncatula accessions of diverse geographic origins. No significant differences were found. At the same time, orthologous resistance candidate genes towards Va V31.2 in several other model species (Lotus japonicus, Arabidopsis thaliana, Nicotiana sp.) were discovered. Pathogenicity of Va V31-2 in these species was monitored to use them as potential model for functional validation. Only one orthologous gene of MtSEC14 has been identified in Medicago sativa. Because of a great synteny between M. truncatula and M. sativa, our work could be useful for alfalfa breeding. In this work and for the first time, a susceptibility gene involved in a quantitative resistance against microorganisms in Legumes was identified.

La verticilliose (Verticillium dahliae) du fraisier est une maladie importante pour laquelle la fumigation constitue le principal moyen de lutte, bien que son efficacité soit variable. Cette étude montre que la fumigation au Telone® C-17, au Vapam® ou à la chloropicrine ne permet pas de réduire l'incidence de la verticilliose du fraisier bien que la fumigation au Telone® C-17 ait réduit le nombre de microsclérotes du pathogène dans le sol. L'incorporation du compost bio ou marin n'a pas résulté non plus en une réduction de l'incidence de la maladie. Appliqués en zone fumigée, ces composts ont toutefois permis en général d'augmenter les rendements en fruits. Des essais en serre ont par ailleurs montré que les composts bio et marin favorisent le développement de la biomasse aérienne des fraisiers. Finalement, plusieurs bactéries antagonistes à V. dahliae des genres Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus et Arthrobacter ont été retrouvées dans ces composts.

Cette étude a permis d'évaluer, au moyen d'essais in vitro, en serre et en champ, l'effet de la fumigation et de l'application de différents composts sur le rendement des fraisiers et sur le développement de V. dahliae et de la verticilliose du fraisier. Les essais in vitro ont démontré que les extraits de composts permettent de diminuer la croissance mycélienne de V. dahliae. Au champ, la fumigation a entraîné une diminution des rendements en fruits et n'a eu aucune influence sur l'incidence de la verticilliose, alors que l'application de compost marin a permis de réduire l'incidence de la maladie. En serre, la croissance des fraisiers a généralement été stimulée par l'amendement en composts bio et marin, alors que le développement de la verticilliose semble avoir été favorisé par les amendements. À la lumière des résultats obtenus, ces travaux pourraient trouver des applications dans l'élaboration d'un programme de lutte intégrée contre la verticilliose du fraisier.

La verticilliose est causée par des agents pathogènes telluriques du genre Verticillium. Elle est, depuis sa découverte dans les années 50, maladie majeure du tournesol en Argentine où des sources de résistances ont été identifiées. En France, c’est une maladie de plus en plus fréquente, observée chaque année sur de nouvelles zones de production. Elle suscite désormais des efforts dans la recherche de moyens de lutte sur ce territoire. Ce travail s’est concentré sur l’étude des interactions Tournesol - agents causals de la verticilliose à deux niveaux d’observation : celui du système de culture (français vs. argentin) et celui de l’individu. L’objectif est d’apporter des connaissances sur l’agent causal et sur le déterminisme moléculaire dans la résistance à la verticilliose du tournesol afin de développer un modèle de criblage de résistances à grande échelle. L’étude de la maladie dans les systèmes de culture a permis de mettre en évidence l’existence d’une différence significative de la réponse du tournesol à Verticillium entre la France et l’Argentine. L’étude moléculaire des pathogènes vasculaires in planta, échantillonnés dans les 2 systèmes de culture, a permis de confirmer l’implication majeure de V. dahliae dans la verticilliose du tournesol. En conditions contrôlées, une étude comparative de la pathogénicité de plusieurs isolats de V. dahliae (de la tomate, du coton, du sol) sur le tournesol a mis en évidence que seul l’isolat 85S, isolé à partir du tournesol, est capable de le coloniser et de provoquer des symptômes. L’étude du génome de l’isolat 85S révèle que cet isolat n’appartient à aucune branche existante de l’arbre phylogénétique ; il forme un groupe per se, associé aux isolats non défoliant du coton mais infectant la tomate. L’hypothèse de la spécificité de la réponse induite dans l’hypocotyle et les feuilles du tournesol par certains isolats de V. dahliae a été confirmée en étudiant la cinétique de l’expression de 9 gènes associés à la défense, 5 semaines après inoculation. Le tournesol met uniquement en place son système de défense en réponse à l’infection par 85S. La réponse semble induite ; la colonisation n’est pas systémique, la biomasse fongique n’a pas été détectée dans l’hypocotyle et les feuilles de l’hybride asymptomatique. L’ensemble de ces travaux a conduit au développement d’un modèle pour le criblage de résistances à Verticillium chez le tournesol. Celui-ci répond aux contraintes liées à la diversité du pathogène dans les méga-environnements, conséquences de pressions de sélection différentielles. / Verticillium wilt is caused by soil-borne fungi of the genus Verticillium. From its discovery in the 50’s, sunflower Verticillium wilt is a major disease in Argentina where sources of resistances have been identified. Since few years, the disease occurs more frequently in France raising concerns on sources of resistances discoveries regarding its spread to other sunflower French production areas. This work focus on the study of Sunflower- causals agent of Verticillium wilt interaction at 2 levels of observation: at the cultural system (French vs Argentinian) and at the plant individual scale. The aim is to provide identification of the causal agents and knowledge on the molecular determinism of sunflower resistances to implement high-throughput plant phenotyping approach. Disease symptom studies within the cultural systems reveal a significant difference in the phenotypic expression of sunflower against Verticillium pressure according to the location in France or in Argentina. Molecular studies of isolates in planta, from naturally infested field in cultural systems reveal the major implication of V. dahliae in the sunflower Verticillium wilt disease. In controlled conditions, comparative studies of V. dahliae isolates pathogenicity (isolated from cotton, tomato and soil) on sunflower reveal that only 85S, isolated from sunflower is able to colonize and provoke symptoms. Genomic studies of 85S isolates reveal that the isolate did not belong to any branch of the current phylogenetic tree; 85S makes a 'per se' group within the cotton non-defoliating but tomato infecting strains. Specificity of induced responses in sunflower hypocotyl and leaves by only some of V. dahliae isolates have been confirmed through a gene expression kinetic analysis of 9 defenses related genes on 5 weeks post inoculation. Sunflower genotype is responding only to the 85S isolate. Resistance seems to be induced; colonization is not systemic as pathogen biomass has been detected but not quantify in symptomless cultivar. Our study finally leads to the implementation of Verticillium resistances screening model on the sunflower with respect to the constraints related to the pathogen diversity from the different environments, according to differential selection pressure.

La verticilliose de la luzerne cultivée (Medicago sativa L.) est une maladie de flétrissement vasculaire causée par le champignon du sol Verticillium alfalfae. C’est une des maladies les plus dévastatrices et les plus difficiles à contrôler. Les symptômes sont un jaunissement des feuilles suivi de flétrissement et défoliation. Les structures de dormance produites en fin de cycle de maladie constituent une source de contamination pour plusieurs années. Aucun traitement fongicide n’est efficace, la seule méthode de contrôle reste la production de variétés résistantes. En raison de sa nature tétraploïde et de son allogamie, il est difficile de réaliser des études génétiques sur M. sativa. Un pathosystème entre la légumineuse modèle Medicago truncatula et V. alfalfae a été mis au point pour étudier les mécanismes mis en place au cours de l’interaction entre V. alfalfae et son hôte. Les lignées A17 et F83005.5 ont été identifiées comme étant respectivement résistante et sensible à la souche V31-2 de V. alfalfae. La première partie de ce travail de thèse est une étude comparative du processus d’infection de V. alfalfae V31-2 au cours d’une interaction compatible et incompatible. Nous avons étudié la cinétique de colonisation des racines d’A17 et F83005.5 avec la souche V31-2 exprimant le gène marqueur GFP ce qui confère une fluorescence verte au champignon. Les observations en microscopie confocale ont montré que le champignon se développait dans les racines des deux lignées contrastées de façon similaire pendant les premières étapes d’infection. Quelques jours plus tard, il n’était plus détectable dans la lignée résistante, tandis qu’il colonisait les vaisseaux du xylème dans la lignée sensible et avançait vers les parties aériennes. La lignée résistante A17 était donc capable d’inhiber totalement le développement du pathogène dans la partie racinaire. Ce résultat a été confirmé par la quantification de l’ADN du pathogène dans la racine et dans les parties aériennes. Nous avons conclu que la lignée A17 exprime une résistance totale à V. alfalfae. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons cherché à identifier le rôle des hormones dans les mécanismes de défense de M. truncatula en réalisant des traitements exogènes avec l’acide salicylique (SA), le méthyl jasmonate (MeJA), l’éthylène (ET), l’auxine et l’acide abscissique (ABA). Ces traitements n’avaient aucun effet sur la résistance d’A17, mais toutes les hormones, à l’exception du MeJA, protégeaient la lignée sensible contre les symptômes de la maladie. La quantification de l’ADN du champignon in planta a montré que seule l’ABA inhibait significativement le développement du pathogène. Dans la troisième partie, nous avons cherché à identifier des acteurs moléculaires impliqués dans la résistance et la sensibilité en comparant le transcriptome de la lignée F83005.5 et A17 dans la phase précoce de l’infection. L’analyse des gènes différentiellement exprimés en réponse à l’inoculation montre que les deux lignées induisent des gènes impliqués dans la production de métabolites secondaires, et des gènes des voies de signalisation hormonale. Mais seule la lignée résistante montre une induction de l’expression de gènes de résistance et de gènes impliqués dans les voies de signalisation tels que des gènes de la synthèse de l’ABA et des facteurs de transcription. Ces résultats renforcent l’hypothèse que l’ABA serait un facteur important dans la résistance à V. alfalfae chez M. truncatula. L’analyse des réseaux de gènes coexprimés a montré une désorganisation de la réponse de la lignée F83005.5. En revanche, dans la lignée A17, on observe une réponse organisée et orientée vers la défense. Ce travail décrit pour la première fois les mécanismes de défense de M. truncatula contre V. alfalfae. L’ensemble des résultats montre que la résistance exprimée chez la lignée A17 est différente des mécanismes de résistance contre la verticilliose décrits chez la tomate et le coton. / Verticllium wilt of alfalfa (Medicago sativa L.) is a vascular disease caused by the soil fungus Verticillium alfalfae. It is one of the most devastating diseases and most difficult to control. Symptoms are leaf yellowing followed by wilting and defoliation. Survival structures which are produced at the end of the disease cycle are a source of inoculum for many years. Fungicide treatment is not efficient, and the only way to control this disease is to breed resistant cultivars. Genetic studies are difficult in M. sativa because it is tetraploid and outcrossing. A pathosystem has been set up in our laboratory in order to study the mechanisms involved in the interaction between V. alfalfae and its host. It involves the model legume plant M. truncatula and strain V31-2 of V. alfalfae. The lines A17 and F83005.5 were identified as respectively resistant and susceptible to V31-2. The first part of this thesis is a comparative study of the infection process of V. alfalfae V31-2 in a compatible and incompatible interaction. The time course of root colonization in lines A17 and F83005.5 was studied with a GFP-expressing strain which confers green fluorescence to the fungus. Observations by confocal microscopy showed that the fungus developed in a similar way in roots of both lines during the first stage of the interaction. Some days later the fungus was not detectable anymore in roots of the resistant line, but has colonized the xylem vessels and grew towards the aerial part of the plant in the susceptible line. Quantification of fungal DNA in roots and aerial parts confirmed these results. This showed that the resistant line A17 was able to suppress the pathogen’s development in the root. It can be concluded that line A17 presents total resistance towards V. alfalfae. The second part of the thesis concerns the role of phytohormones for defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. Susceptible and resistant plants were treated with salicylic acid (SA), methyl jasmonate (MeJA), ethylene (ET), auxine and abscissic acid (ABA). Resistance of line A17 was not affected by these treatments, but all hormones except MeJA protected the susceptible line against disease symptoms. However, when fungal DNA was quantified in planta in these assays, only ABA inhibited the pathogen’s development significantly. The third part of this thesis aims at identifying molecular factors involved in resistance and susceptibility. To address this topic, the transcriptome of lines A17 and F83005.5 was compared during the early stages of infection, in inoculated or mock-inoculated plants. A bioinformatics analysis of differentially expressed genes showed that both lines responded to inoculation by inducing genes involved in secondary metabolism and hormone signaling pathways. However, only resistant line A17 showed induction of the expression of putative resistance and signaling genes, genes involved in ABA synthesis and transcription factors. This result confirms our hypothesis that ABA might be an important factor in M. truncatula resistance against V. alfalfae. Gene network analysis of co-expressed genes showed a disorganised response in the susceptible line, whereas in the resistant line the response was highly organised and turned to defence. Taken together, this work describes for the first time defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. The results show that resistance of line A17 is different from resistance mechanisms Verticillium resistance described in tomato and cotton. Several approaches for future research are presented in order to test our hypotheses concerning genes and molecules putatively involved in this interaction. With regard to applied research, defence and signaling genes identified in this work may be useful for the improvement of alfalfa, after functional validation.