LA COLONISATION D’UNE PLANTE PAR UNE BACTÉRIE PHYTOPATHOGÈNE

Xanthomonas albilineans multiplies in the storage tissue of sugarcane stalks

Unexpectedly, cells of X. albilineans were also found by CLSM outside the vascular bundles. Bacteria were seen inside storage parenchymatous cells which are located between the vascular bundles. Bacteria occupied initially the cytoplasm of these cells (figure 5a), and then invaded the entire area of the cell, most likely by dissolving the tonoplast (figure 5b and ESM figures 4a and 4b). Bacteria were also found within the intercellular spaces of the storage parenchyma where populations were sometimes very dense as highlighted by a strong GFP signal (figure 5c and ESM figure 4c). In parenchymatous cells starting to be invaded by the pathogen, bacterial cells were only observed along the cell wall facing intercellular spaces, suggesting that the pathogen enters the plant cell at these sites (figure 5d and ESM figure 4d).
Infected storage cells were frequently located in the vicinity of invaded vascular bundles but not always, and the bacteria were also observed in storage cells neighboring apparently bacteria-free xylem. The occurrence of cells of X. albilineans in storage parenchymatous cells was confirmed by immunolocalization (figure 6).
During the late stage of the infection (4 to 6 mpi), TEM observations of stalk sections sampled just below the apical meristem suggested extensive bacterial multiplication which was often associated with a fibrillar matrix and ultrastructural destruction of xylem elements.
In vascular parenchymatous cells, organelles were highly altered and thus no longer distinguishable. Primary walls were initially degraded (figure 4f and ESM figure 3c) and then locally completely fragmented which enabled the bacteria to spread within the adjacent vessels or cells (ESM figure 3f). Cell or vessel structure disappeared partially or completely and, as a consequence, xylem vessels and parenchyma cells could not be differentiated. These areas became then filled with bacteria and fragments of the cell walls and organelles. In these highly disintegrated areas, phloem cells appeared intact and only few showed signs of degradation.
The same pattern of stalk colonization was also observed in sugarcane cultivars B69566, R570 and B8008 after inoculation with the two wild type strains of the pathogen (XaFL07-1 and GPE PC73) labeled with GFP. However, the number of colonized vascular bundles of the resistant cultivar B8008 (no more than 1% of bundles) was lower than the one in the three other cultivars (more than 10% of bundles). No fluorescent bacterial cells (GFP signal or after immunolocalization) were observed in control stalks inoculated with water (figure 6c).

Discussion

Based on microscopy observations using three cytological approaches, we show for the first time that a plant vascular bacterium with reduced genome, supposed to be strictly localized in vessels of the infected host, was also detected in other leaf and stalk tissues.
Confocal microscopy, immunocytochemistry, and transmission electron microscopy revealed the occurrence of the sugarcane pathogen X. albilineans in xylem elements, phloem, sclerenchyma, epidermal, and various parenchymatous cells.
This finding that X. albilineans is able, after invading xylem vessels and multiplying in intercellular areas, to penetrate into apparently intact vascular parenchymatous cells and other non-vascular plant tissues, contradicts the current knowledge regarding the habitat of plant pathogenic bacteria. In contrast to mammalian bacterial pathogens which can invade their host cells [37], cultivable plant pathogenic bacteria are known to spend most of their parasitic life in xylem elements (vascular pathogens) or in the intercellular areas of the mesophyll tissue (apoplastic pathogens) [38]. Invasive strategy of intracellular mammalian bacterial pathogens, which replicate within spacious phagosome in macrophages, relies on effector proteins delivered by T3SS that allow bacterial uptake into host cells, enhance intracellular replication and remodel the vacuole into a replicative niche [37]. Bacterial plant pathogens have also evolved specific strategies to establish themselves successfully in their hosts and to acquire nutrients from the plant cells [38, 39, 40]. Most Gram-negative plant pathogenic bacteria deploy a Hrp T3SS to inject effector proteins directly into the plant cell cytosol, to interact with various intracellular targets and modulate host cell processes from outside plant cells [41]. The few bacterial plant pathogens which are missing this T3SS have a limited niche in the host plant. It has been proposed that L. xyli subsp. xyli was once a free-living bacterium that is now restricted to the xylem as a consequence or cause of the loss of functions associated with pseudogenes [10]. Similarly, Simpson and coworkers [12] suggested that the T3SS is not required by Xylella fastidiosa because of the insect-mediated transmission and xylem restriction of the bacterium that obviates the necessity of host cell infection. The same explanation was given for phytoplasma which are phloem-restricted microorganisms directly introduced into the phloem cells by their insect vectors [21].

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Table des matières

Chapitre I : Introduction bibliographique
Partie 1 : ÉTAPES CLÉS DE LA COLONISATION D’UNE PLANTE PAR UNE BACTÉRIE PHYTOPATHOGÈNE ET FACTEURS DE PATHOGÉNIE IMPLIQUÉS
1 COLONISATION ÉPIPHYTE DE LA PLANTE HÔTE
1.1 Bactéries phytopathogènes associées à la phyllosphère
1.2 Écologie de la phyllosphère et interactions phyllosphère-bactéries
1.2.1 Topographie de la phyllosphère
1.2.2 Caractéristiques environnementales de la phyllosphère
1.2.2.1 Caractéristiques physiques de la phyllosphère
1.2.2.2 Disponibilité en nutriments et autres composés
1.3 Stratégies déployées par les bactéries pour coloniser la phyllosphère
1.3.1 Stratégies de tolérance : Production de composés bioactifs (résistance aux stress versus
adaptation métabolique)
1.3.2 Stratégies d’évitement
1.3.2.1 Chimio-tactisme, mobilité et adhésion : Pré-requis pour la survie au niveau de la
phyllosphère
1.3.2.1.1 Chimio-tactisme et mobilité
1.3.2.1.2 L’adhésion
1.3.2.2 La formation de biofilms: Une structure protectrice pour les bactéries épiphytes
1.3.2.3 Sécrétion d’effecteurs par le système de sécrétion de type III Hrp et de molécules bioactives
1.3.2.3.1 Sécrétion de molécules bioactives : Facteurs de transition d’un mode de vie épiphyte vers un mode de vie endophyte
1.3.2.3.2 Le Système de sécrétion de type III Hrp et ses effecteurs
2 COLONISATION ENDOPHYTE DE LA PLANTE HÔTE
2.1 Colonisation de l’apoplaste
2.1.1 Bactéries phytopathogènes associées à l’apoplaste : les bactéries non-vasculaires
2.1.2 L’apoplaste : caractéristiques et constituants
2.1.2.1 Caractéristiques et disponibilité en nutriments
2.1.2.2 Exemples de mécanismes de défense exprimés dans l’apoplaste
2.2 Colonisation des tissus vasculaires
2.2.1 Bactéries phytopathogènes associées aux tissus vasculaires : les bactéries vasculaires
2.2.2 Les faisceaux vasculaires : caractéristiques, disponibilité en nutriments et autres
composés
2.2.2.1 Caractéristiques et constituants
2.2.2.2 Exemples de mécanismes de défense exprimés dans les tissus vasculaires
2.3 Stratégies déployées par les bactéries pour coloniser les tissus de la plante
2.3.1 Chimiotactisme et mobilité : mécanismes préliminaires à la colonisation de la plante hôte
2.3.2 L’adhésion
2.3.3 La production d’exopolysaccharides
2.3.4 La production de phytotoxines
2.3.5 La dégradation de la paroi végétale
2.3.6 Le SST3 Hrp et ses effecteurs
2.3.7 Le quorum-sensing : régulation de l’expression des gènes de virulence
2.3.8 Autres stratégies
PARTIE 2: LE PATHOSYSTÈME CANNE À SUCRE – XANTHOMONAS ALBILINEANS
1 LA PLANTE HÔTE : LA CANNE À SUCRE
1.1 Biologie, taxonomie et génétique
1.2 Répartition géographique et importance économique
1.3 Description morphologique et anatomique
1.4 Principales maladies de la canne à sucre
2 LA MALADIE : L’ÉCHAUDURE DES FEUILLES DE LA CANNE À SUCRE
2.1 Répartition géographique et importance économique
2.2 Symptômes de la maladie
2.3 Mode de transmission de la maladie
2.4 Méthodes de lutte
3 L’AGENT CAUSAL : XANTHOMONAS ALBILINEANS
3.1 Classification, morphologie et physiologie
3.2 Cycle infectieux
3.3 Xanthomonas albilineans : une bactérie particulière et originale au sein du genre
Xanthomonas .
3.3.1 Position phylogénétique particulière
3.3.2 Caractéristiques du génome de X. albilineans
3.3.2.1 Un génome réduit
3.3.2.2 Une artillerie réduite
3.3.2.3 Des séquences codantes particulières
3.3.2.3.1 Le système de sécrétion de type III de la famille SPI-1
3.3.2.3.2 Les mégaenzymes NRPS « Non-Ribosomal Peptide Synthetases »
a) L’albicidine : une phytotoxine unique et spécifique à X. albilineans
b) Les autres petites molécules produites par les NRPS
3.3.2.3.3 Les enzymes de dégradation de la paroi végétale
3.3.2.3.4 Un cluster de 5 kb présent dans douze loci différents
3.4 Facteurs de pathogénie chez X. albilineans
3.4.1 Facteurs de pathogénie identifiés par génomique fonctionnelle
3.4.1.1 Les gènes du quorum-sensing
3.4.1.2 Les polysaccharides de surface.
3.4.1.3 Les protéines de la membrane externe
3.4.2 Facteurs putatifs de pathogénie identifiés par hybridation soustractive et suppressive
3.5 Variabilité du pouvoir pathogène et diversité génétique de X. albilineans
Chapitre II : Objectifs de la thèse
Chapitre III : Résultats
Partie 1 : DÉTERMINANTS MOLÉCULAIRES IMPLIQUÉS DANS LA SURVIE ÉPIPHYTE DE XANTHOMONAS ALBILINEANS
Article 1: Surface polysaccharides and quorum-sensing are involved in survival of Xanthomonas
albilineans on sugarcane leaves
Partie 2 : REDÉFINITION DE LA LOCALISATION DE XANTHOMONAS ALBILINEANS DANS LES TISSUS DE LA CANNE À SUCRE
Article 2: Breaking dogmas: The plant vascular pathogen Xanthomonas albilineans is able to invade non-vascular tissues despite its reduced genome
Chapitre IV : Discussion et perspectives
I/ SURVIE ÉPIPHYTE DE XANTHOMONAS ALBILINEANS ET DÉTERMINANTS MOLÉCULAIRES ASSOCIÉS
II/ REDÉFINITION DE LA LOCALISATION DE XANTHOMNAS ALBILINEANS DANS LES TISSUS DE LA CANNE À SUCRE 138
Chapitre V : Conclusion générale
Références bibliographiques