Élucidation des mécanismes adaptatifs et métaboliques de Bacillus subtilis sur la plante et en présence d’espèces compétitrices

La conception de modèles réductionnistes pour étudier les interactions entre les plantes et les microbes ainsi qu’entre les microbes eux-mêmes ont permis d’élucider une multitude de mécanismes moléculaires, choses quasi impossibles en conditions naturelles. Plusieurs espèces bactériennes ubiquitaires du sol ont été isolées et criblées en interaction simple pour leurs propriétés bénéfiques envers la plante. Malheureusement, bien qu’il existe une panoplie d’espèces bactériennes favorisant la croissance des plantes, les études portant sur les facteurs biotiques et abiotiques influençant l’efficacité de ces bactéries utilisées en agriculture biologique sont peu nombreuses et limitent nos capacités à optimiser leur utilisation. Un des défis d’importance dans les prochaines années concerne la création de consortiums bactériens hautement efficaces dans l’objectif d’éliminer un large éventail d’agents pathogènes et de diminuer significativement l’usage de pesticides chimiques. Bacillus et Pseudomonas sont les bactéries les plus couramment utilisées comme biofertilisants. Malgré le potentiel de synergie entre ces deux genres bactériens pour la création d’un consortium, la plupart de leurs interactions en paire sont antagonistes. En effet, de nombreuses études ont rapporté des effets antagonistes entre ces dernières, ce qui entraine une coexistence instable. De plus, une particularité qui distingue Bacillus de Pseudomonas est son habilité à former des endospores, des structures dormantes ultrarésistantes aux conditions environnementales adverses. En contrepartie, la sporulation peut limiter la capacité des espèces de Bacillus à protéger la plante en réduisant leur activité métabolique. Au cours de mon projet, j’ai développé et mis en place un système de culture hydroponique avec la plante modèle Arabidopsis thaliana afin d’étudier la cinétique de l’état métabolique de B. subtilis après une inoculation sous forme de spores. Il s’est avéré que ces spores germent simultanément avec la graine. Cependant, ces bactéries ne restent que brièvement dans l’état végétatif (métaboliquement actif) avant de retourner à l’état de dormance. Ensuite, j’ai conçu un système de culture hydroponique contenant un insert de culture cellulaire qui permet la séparation physique des partenaires d’interactions pour évaluer l’importance de la colonisation des plantules sur la modulation de l’état métabolique de Bacillus. Ce système a permis de montrer qu’Arabidopsis thaliana sécrète des molécules qui favorisent l’état de dormance de B. subtilis, uniquement lorsque ce dernier entre en contact avec la plante, et ce mécanisme n’est pas espèce-spécifique. En effet, le contact entre la plante et P. fluorescens mène également à la formation de spores chez B. subtilis. Aussi, nous avons montré que le site d’établissement préférentiel et de persistance des espèces de Bacillus appliquées de manière exogène sur des plantes ornementales se retrouve au niveau racinaire et non foliaire. Dans le second volet de mon projet, je me suis intéressé à l’interaction entre Bacillus et Pseudomonas. J’ai d’abord procédé à des essais d’interactions de paires (côte à côte) sur milieu solide pour déterminer le type d’interaction entre B. subtilis et trois espèces de Pseudomonas qui possèdent un arsenal de métabolites secondaires différents. La compétition interspécifique entre B. subtilis et P. protegens a révélé l’implication de l’acide pulcherriminique (PA), une molécule liant le fer ferrique; Fe(III). En combinant des approches de microbiologie et de chimie analytique, j’ai montré deux nouveaux rôles de la PA dans un contexte de compétition microbienne : elle crée une réserve locale de Fe(III) favorisant sa récupération via la production de sidérophores et réduit le stress oxydatif en précipitant le Fe(III). Ensemble, nos résultats participent à caractériser la formation de spores sur plantules, un facteur négligé jusqu’à maintenant dans l’efficacité des biofertilisants à base de Bacillus. De plus, nous avons découvert et caractérisé une nouvelle stratégie contre-intuitive sur la gestion du Fe(III) utilisé par B. subtilis dans un contexte de compétition microbienne

Bacillus subtilis and Bacillus velezensis population dynamic and quantification of spores after inoculation on ornamental plants

Abstract: Bacillus subtilis and Bacillus velezensis are used in organic agriculture as an alternative to chemical pesticides to fight against phytopathogen organisms. These Gram-positive soil-dwelling bacteria are able to resist harsh conditions and survive by differentiating into endospores. Few studies have examined how bacterial populations change on plants over time, and if they remain active or enter a dormant state. Nonetheless, these characteristics are strikingly important to determine the usage of B. subtilis and B. velezensis and their efficacy in environmental conditions. Here, we investigate the population dynamic on plants of B. subtilis NCIB3610 and B. velezensis QST713 when applied as spores on different ornamental plants. We report that on all plants studied (Echinacea purpurea cv. Salsa red, Echinacea purpurea cv. Fatal attraction and Lavandula angustifolia cv. Hidecote blue) spores rapidly germinated and colonized the rhizoplane, maintaining a relatively low proportion of spores in the population over time, whereas bacterial population on leaves rapidly declined. Bacteria in the surrounding soil did not germinate and persisted as spores. Taken together, these results suggest that only cells found at the rhizosphere remain metabolically active to allow the formation of a lasting relationship with the plant, making possible beneficial effects from the inoculated bacteria.Bacillus subtilis et Bacillus velezensis sont utilisées en agriculture biologique comme alternative aux pesticides chimiques. Ces bactéries Gram-positives vivant dans le sol sont capables de résister à des conditions difficiles et de survivre en se différenciant en endospores. Peu d'études ont examiné comment les bactéries persistent sur les plantes, si elles demeurent actives ou entrent en dormance. Néanmoins, ces caractéristiques sont importantes pour déterminer leur utilisation et leur efficacité dans des conditions environnementales. Nous avons étudié la dynamique de population de B. subtilis NCIB3610 et de B. velezensis QST713 lorsqu'appliquées comme spores sur différentes plantes ornementales. Nous montrons que sur toutes les plantes étudiées (Echinacea purpurea cv. Salsa red, Echinacea purpurea cv. Fatal attraction et Lavandula angustifolia cv. Hidecote blue) les spores ont rapidement germées et colonisées la rhizoplane, maintenant une proportion relativement faible de spores dans la population, alors que la population sur les feuilles a rapidement diminué. Les bactéries présentes dans le sol environnant n'ont pas germé et ont persisté sous forme de spores. Ces résultats suggèrent que seules les bactéries trouvées au niveau des racines restent métaboliquement actives pour permettre la formation d'une relation durable avec la plante, rendant possible les effets bénéfiques des bactéries inoculées

Pulcherriminic acid modulates iron availability and protects against oxidative stress during microbial interactions

Abstract Siderophores are soluble or membrane-embedded molecules that bind the oxidized form of iron, Fe(III), and play roles in iron acquisition by microorganisms. Fe(III)-bound siderophores bind to specific receptors that allow microbes to acquire iron. However, certain soil microbes release a compound (pulcherriminic acid, PA) that, upon binding to Fe(III), forms a precipitate (pulcherrimin) that apparently functions by reducing iron availability rather than contributing to iron acquisition. Here, we use Bacillus subtilis (PA producer) and Pseudomonas protegens as a competition model to show that PA is involved in a peculiar iron-managing system. The presence of the competitor induces PA production, leading to precipitation of Fe(III) as pulcherrimin, which prevents oxidative stress in B. subtilis by restricting the Fenton reaction and deleterious ROS formation. In addition, B. subtilis uses its known siderophore bacillibactin to retrieve Fe(III) from pulcherrimin. Our findings indicate that PA plays multiple roles by modulating iron availability and conferring protection against oxidative stress during inter-species competition