Résumé Certaines bactéries de la rhizosphère (PGPR, rhizobactéries promotrices de la croissance des plantes) exercent un effet bénéfique sur la croissance des plantes en stimulant des mécanismes de défense inductibles chez lhôte, rendant celle-ci moins susceptible vis-à-vis dune infection ultérieure par un agent pathogène. Ce phénomène appelé résistance systémique induite (ISR) a été mis en évidence chez plusieurs plantes pour lutter contre une gamme relativement large de pathogènes fongiques, bactériens ou viraux. Cependant, les bases moléculaires des mécanismes de défense proprement dits stimulés lors de lISR restent assez méconnues malgré les nombreux travaux réalisés cette dernière décennie. Dans ce contexte, des souches de PGPR (Bacillus subtilis et Pseudomonas putida) capables de protéger certaines plantes via linduction de lISR sont étudiées depuis plusieurs années au laboratoire. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous avons étudié l´effet protecteur de ces bactéries dans deux pathosystèmes différents, tomate/Botrytis cinerea et concombre/Colletotrichum lagenarium. Nos résultats ont montré la capacité de P. putida BTP1 à induire l´ISR chez la tomate et le concombre sur base de la réduction des symptômes de maladie observée et sur base de la séparation spatiale des deux agents, bénéfique au niveau racinaire et pathogène au niveau foliaire. Cette résistance a été clairement associée avec la stimulation de la voie des oxylipines chez la tomate. Linduction de cette voie métabolique a dabord été mise en évidence biochimiquement par une augmentation des activités lipoxygénase et lipide hydroperoxydase dans les feuilles des plantes traitées avec Pseudomonas. De plus, au niveau moléculaire, les analyses par northern blot nous ont permis d´identifier un nouvel isoforme de gène Lox chez la tomate qui est exprimé différentiellement chez les plants traités par la bactérie. Ce gène dénommé LoxF montre une homologie de 82% avec un des cinq isoformes connus chez cette plante, LoxC. LoxF est essentiellement surexprimé dans les feuilles de tomates pré-inoculées avec BTP1 suite à l´infection par le pathogène. Il en est de même pour lactivité enzymatique correspondante de la lipoxygénase qui naugmente significativement chez les plants traités par rapport aux témoins quaprès infection par Botrytis. Ces résultats sous-entendent un phénomène de « priming » ou « mise en alerte » étroitement associé avec linduction de résistance systémique chez les plantes. La reconnaissance de la bactérie au niveau racinaire met en alerte la plante sans que des bouleversements majeurs au niveau métabolique ou génétique ne soient observés. Lhôte réagit alors plus fortement et plus rapidement pour mettre en uvre ses mécanismes de défense une fois le pathogène perçu. Par biotest sur TLC et analyses HPLC, CPG et LC-MS, nous avons mis en évidence laccumulation dune molécule dans les feuilles de tomate prétraitées avec BTP1. Cette molécule semble être de nature apolaire mais non phénolique et ne correspond pas aux phytoalexines connues de la tomate. Des études complémentaires doivent être réalisées pour lidentifier chimiquement mais sa cinétique daccumulation dans les tissus de la plante est étroitement associée à celle de la stimulation de la lipoxygénase. Elle pourrait donc dériver de cette voie métabolique. Des réactions de défense similaires ont été observées suite au traitement avec Bacillus subtilis chez la tomate et ces essais ont permis de mettre en évidence le rôle des lipopeptides produits en tant quéliciteurs impliqués dans linduction du phénomène de lISR par cette souche. Par contre, bien que les deux souches soient capables dinduire la résistance chez le concombre, aucune accumulation claire de phytoalexines ni de stimulation significative de la voie de la lipoxygénase nont pu y être associées chez cette plante. Globalement, nos résultats suggèrent que les voies métaboliques activées dans le cadre de lISR varient en fonction de lespèce végétale même si le microorganisme inducteur est identique. Abstract Some plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) are able to stimulate inducible defence mechanisms that render the host plant less susceptible to a subsequent pathogen attack. This phenomenon called induced systemic resistance (ISR) can occur in several plant species against a wide range of bacterial, viral and fungal pathogens. Despite extensive work carried out this last decade, many aspects of the molecular basis underlying this rhizobacteria-mediated ISR remain unclear. In this context, Bacillus subtilis and Pseudomonas putida strains able to protect plants via induction of ISR have been studied for several years in our laboratory. In this thesis, we first aimed at evaluating the protective effect of these strains in different pathosystems and second at identifying the associated defence mechanisms. Our results showed the capacity of P. putida BTP1 to induce ISR in the tomato/Botrytis cinerea and cucumber/Colletotrichum lagenarium pathosystems on the basis of reduction of disease symptoms and on the basis of the spatial separation of the two agents, beneficial at the root level and pathogenic at the leaf level. This resistance was clearly associated the stimulation of the oxylipin pathway in tomato. The induction of this metabolic pathway was evidenced biochemically by an increase in the lipoxygenase and lipid hydroperoxydase activities in the leaves of plants treated with Pseudomonas compared to controls. Moreover, at the molecular level, northern blot analyses enabled us to identify a new isoforme of Lox gene in tomato which is expressed differentially in plants treated with the bacterium. This gene called LoxF shows a homology of 82% with one of the five isoformes known in this plant, LoxC. LoxF is mainly expressed in tomato leaves pre-inoculated with BTP1 after infection by pathogen. The same applies for the lipoxygenase enzyme activity which increases significantly in treated plants only after infection by Botrytis. These results imply a phenomenon of "priming" closely associated with the systemic resistance induction in plants. The recognition of the bacterium at the root level primes the plant but in most cases major changes at the metabolic or genetic level are not observed. The host then reacts more strongly and more quickly to express defence mechanisms once the pathogen is perceived. In addition, by combining the use of TLC-based biotests and analytical methods such as HPLC, CPG and LC-MS analyses, we highlighted the accumulation of a molecule in BTP1-pretreated tomato leaves. This molecule seems to be of a non-polar nature but not phenolic and does not correspond to any phytoalexin known in tomato. Complementary studies must be carried out to identify its structure but its kinetic of accumulation in the plant tissues is closely associated with the stimulation of the lipoxygenase enzyme. It could thus derive from this metabolic pathway. Similar defence reactions were observed in tomato following treatment with Bacillus subtilis and through these tests, we also highlighted the role of some lipopeptides produced by this strain as elicitors responsible for the induction of the ISR phenomenon. On the other hand, although the two strains are able to induce resistance in cucumber, no clear accumulation of phytoalexins nor of significant stimulation of the lipoxygenase pathway could be associated with disease reduction in this plant. All together, our results suggest that the metabolic pathways activated during ISR vary in function of the plant and pathogen species even if the inducing micro-organism is identical.

In the so-called induced systemic resistance phenomenon (ISR), some non pathogenic rhizobacteria are able to stimulate defence mechanisms in the host plant thereby rendering it less susceptible to subsequent phytopathogen attack. This immunization process is initiated into the plant following the perception of elicitors (or determinants) produced by the beneficial microorganism. Previous studies performed in our laboratory have demonstrated the ability of Pseudomonas putida strain BTP1 and Bacillus subtilis strain S499 (or M4) at triggering ISR. By using these two rhizobacteria, the global objective of this thesis is to contribute to a better understanding of this molecular dialogue between ISR-inducing bacteria and plant cells. Our first researches with BTP1 led to the isolation, as an elicitor, of a new compound produced by Pseudomonas. It was purified from bacterial culture supernatant and identified as a benzylamine core alkylated with two methyl and one tetradecyl groups, conferring its hydrophobic properties. On the basis of this structure, the BTP1 determinant was called NABD, for N-Alkylated Benzylamine Derivative. By testing the pure molecule or mutant strains altered in its production, we have shown that NABD was mainly responsible for ISR-activity of the BTP1 strain on bean and cucumber while in tomato, another unidentified compound could also be involved. In the case of Bacillus subtilis S499, we used similar approaches to demonstrate for the first time that the lipopeptides surfactin and fengycin may act as elicitors to stimulate systemic resistance, thereby attributing them a new role in the biocontrol of plant diseases. Structure/activity studies have revealed the implication of the benzylamine aromatic core in the biological activity of NABD. In the case of surfactin, reduced activity of some homologues indicates that its perception is dictated by structural clues such as the length of the acyl moiety and the presence of charges in the cyclic peptide part. Also in support to their involvement in ISR triggering, significant quantities of NABD and lipopeptides were recovered from the rhizosphere of bacterized plants. The influence of some physiological and physico-chemical factors on NABD production by BTP1 was further investigated in in vitro experiments. Our results show that the molecule is more efficiently produced at low cell growth rate and in the presence of amino acids in the medium but is negatively iron-regulated. Other abiotic factors, such as low oxygen concentration or low pH do not have drastic effects on NABD biosynthesis by the strain. Globally, with regard to specific conditions that the strain undergoes in the rhizosphere environment, it supposes that the nutritional/physiological state of BTP1 cells growing on plant roots is compatible with an effective production of the elicitor. Plant responses induced following root treatment with Bacillus subtilis S499 have also been investigated. Working on whole plants, it first revealed an increase in enzyme activities of the oxylipin pathway (lipoxygenase (LOX) and lipid-hydroperoxydase) after infection. Further investigations were conducted on cultured tobacco cells and we have shown the induction of some early events, such as extracellular pH alkalinization, reactive oxygen species production, defence enzyme stimulation (LOX and phenylalanine ammonia lyase (PAL), and accumulation of some phenolics from the phenylpropanoid pathway. These experimentations performed with Bacillus lipopeptides are the first conducted with ISR-specific elicitors and led to the characterization of early events that can also be triggered by pathogen associated molecules. It is still not clear whether bacterial LPs are recognized by plant cells via specific receptors but the amphiphilic and detergent properties of surfactin strongly suggest that these LPs can interact via a less specific mechanism based on some limited destabilization of the membrane structure. In conclusion, NABD and lipopeptides studied in this thesis enlarge the range of elicitors from non pathogenic bacteria isolated to date, and may be considered as members of a new class of ISR-inducing compounds of amphiphilic nature./ Lors du phénomène appelé « résistance systémique induite » (ISR), des rhizobactéries non pathogènes peuvent conférer à la plante un certain degré de protection à des attaques ultérieures par un phytopathogène via la stimulation de mécanismes de défense systémiques. Cette « immunité » sinitie suite à la perception par la plante de molécules dites élicitrices produites par le microorganisme bénéfique. Lobjectif de cette thèse est de contribuer à la caractérisation de ce dialogue moléculaire en se basant sur des études antérieures poursuivies au laboratoire qui ont mis en évidence la capacité des souches Pseudomonas putida BTP1 et Bacillus subtilis S499 (aussi dénommée M4) à induire lISR chez leur hôte végétal. La première partie des recherches sur BTP1 a permis disoler en tant quéliciteur un nouveau type de composé produit par les Pseudomonas. Cet éliciteur a été isolé à partir de surnageant de culture de la bactérie et est constitué dun noyau benzylamine dont lazote est alkylé par deux groupements méthyle et un groupement tétradécyle, responsables de lhydrophobicité relative de la molécule. Sur cette base, ce métabolite a été dénommé NABD (N-alkylated benzylamine derivative). Grâce au traitement des plantes avec le composé purifié ou via lutilisation de mutants altérés dans sa production, nous avons démontré que le NABD était responsable de lessentiel de lactivité ISR de BTP1 sur le haricot et le concombre. Dans le cas de la tomate par contre, il semble quil ne soit pas le seul éliciteur impliqué. En ce qui concerne Bacillus subtilis S499, en utilisant des approches similaires, nous avons pour la première fois montré limplication de deux lipopeptides, la surfactine et la fengycine, comme agents stimulateurs de lISR, permettant ainsi de leur attribuer un nouveau rôle dans le contrôle biologique des maladies des plantes par Bacillus. Une étude de la relation structure/activité a été entamée et a révélé un rôle du noyau aromatique dans létablissement de la résistance systémique par le NABD. Pour la surfactine, limportance de la longueur de la chaîne alkylée ainsi que la présence des charges sur les acides aminés suggèrent que son activité élicitrice soit liée à ses propriétés amphiphiles. La détection en quantités significatives des deux types déliciteurs dans la rhizosphère des plants traités par les bactéries est également en faveur de leur rôle biologique. Dans le cas de BTP1, nous avons étudié linfluence de certains paramètres physiologiques, nutritionnels et physico-chimiques sur la production du NABD. Les résultats montrent que la production du NABD est dépendante de la présence dacides aminés dans le milieu, quelle est effective à un taux de croissance faible du microorganisme, quelle est négativement influencée par le fer mais quelle nest pas inhibée par une restriction en oxygène dissous disponible ou par une acidification du milieu. Globalement, ces données suggèrent que les conditions physico-chimiques dictant létat physiologique des cellules bactériennes in situ peuvent être propices à une synthèse effective de léliciteur au niveau des racines. Des recherches sur les réponses induites chez lhôte lors de son interaction avec S499 ont été initiées et montrent une nette augmentation dactivités enzymatiques de la voie des oxylipines (activités lipoxygénase (LOX) et lipide hydroperoxydase) dans les feuilles après infection. Une exploration plus approfondie sur suspensions de cellules de tabac en culture avec la surfactine a montré linduction de plusieurs autres mécanismes précoces de défenses, comme une alcalinisation du milieu extracellulaire, la production despèces oxydantes, lactivation denzymes de défense telles que LOX et phenylalanine ammonia lyase (PAL), et une possible réorientation de la voie des phénylpropanoïdes. Ces expérimentations menées avec les lipopeptides de Bacillus sont parmi les premières à être réalisées avec des éliciteurs spécifiques de lISR. Elles ont abouti à la caractérisation de plusieurs réponses précoces dont certaines sont aussi induites par des molécules isolées dagents pathogènes. Les lipopeptides pourraient ainsi agir en stressant les cellules de lhôte via une perturbation temporaire de la membrane externe facilitée par leur propriété amphiphile. Limplication de récepteurs dans la reconnaissance des éliciteurs de BTP1 et S499 ne peut cependant pas être exclue. En conclusion, les lipopeptides et le NABD élargissent la gamme des éliciteurs bactériens de lISR isolés jusquà présent et peuvent être considérés comme appartenant à une nouvelle classe dimmuno-stimulateurs des plantes comprenant des molécules amphiphiles.