Comment les bactéries contournent-elles les défenses des plantes ? (Curiosité)

Écriture : Bastien Malbert
Relecture de contenu : Anne-Sophie Masson
Relecture de forme : Éléa Héberlé et Line Kong A Siou

Temps de lecture : environ 11 minutes.
Thématiques : Biologie végétale (Biologie)

Publication originale : Block A., et al., The Pseudomonas syringae type III effector HopG1 targets mitochondria, alters plant development, and suppresses plant innate immunity. Cellular Microbiology, 2010. DOI : 10.1111/j.1462-5822.2009.01396.x.

Version approfondissement

Dans une publication de 2010, une équipe de chercheurs de l’Université du Nebraska a montré qu’une protéine de la bactérie Pseudomonas syringae bloque la mise en place des défenses de la plante infectée. Les auteurs ont démontré que cette protéine, injectée dans la plante par la bactérie, est localisée dans les mitochondries, sortes de centrales énergétiques des cellules eucaryotes aussi impliquées dans la défense cellulaire. À l’image de la course aux armements lors de la guerre froide, la coévolution des bactéries pathogènes et des plantes leur a permis d’obtenir un véritable arsenal biologique, pouvant faire basculer le cours de chaque bataille.

À l’image de la course aux armements de la Guerre Froide, pendant laquelle soviétiques et américains investissent massivement dans la recherche et le développement de nouvelles technologies militaires en prévision d’un conflit frontal, les plantes et les bactéries ne se font aucun cadeau ! Ciblage des mécanismes de reconnaissance de l’ennemi, de communication entre les différents compartiments de la cellule, blocage des attaques par la plante, mise en place de défenses très spécifiques et ciblées… Interagissant depuis probablement plusieurs millions d’années, l’évolution des plantes et des bactéries ne s’est pas faite de façon indépendante. Dès lors que la bactérie évolue et gagne en virulence, c’est-à-dire en pouvoir pathogène, la plante subit une pression de sélection. Ici aussi, on peut parler de course aux armements afin de bloquer ou réussir l’infection.

Qu’est-ce qu’une infection réussie ?

Une infection correspond à la pénétration d’un microorganisme dans un être vivant, qui sera son hôte. En se multipliant, le microorganisme peut créer des lésions, altérant la santé de l’hôte : on parle alors de maladie. S’il est plutôt facile de définir ces termes, il est nettement plus compliqué de déterminer si une infection est réussie ou non. On peut supposer qu’à partir du moment où un microorganisme réussit à neutraliser les défenses et se multiplier chez son hôte, l’infection est considérée comme réussie.

La neutralisation des défenses des plantes passe par des attaques ciblées. C’est à ce moment qu’interviennent les protéines bactériennes appelées effecteurs. Présents chez la plupart des pathogènes, les effecteurs sont envoyés de la bactérie vers la cellule végétale lors de l’infection. 

Cependant, toutes les bactéries connues pour pouvoir infecter les plantes sont-elles capables de réussir une infection sur tous les végétaux ? Même si l’attaque d’un arbre, ou d’un champ entier retient l’attention, l’infection est une rare exception puisque la majorité des interactions entre les plantes et les pathogènes ne donnent pas lieu à une attaque réussie [1].

Deux raisons expliquent cette incompatibilité. La première, mécanique, dépend de l’épaisseur de la paroi des cellules végétales. Plus large chez certaines espèces, les bactéries vont se retrouver littéralement prises de court pour déployer les effecteurs dans la cellule. La « seringue moléculaire » qui leur permet le déploiement d’effecteurs à travers la paroi peut parfois être trop petite pour perforer complètement ce mur protégeant les cellules des plantes. Quant à la seconde raison, elle dépend directement du système immunitaire des plantes.

Les plantes aussi ont un système immunitaire

Prenons l’exemple de Roger. Comme tout un chacun, ce grand gaillard de 17 ans possède un système immunitaire inné. Celui-ci voit arriver les pathogènes et met en place des réponses qui vont lui permettre de leur résister. Pour autant, malgré ses rencontres fortuites avec différents pathogènes, le système immunitaire de Roger ne s’en souvient pas. Il ne dispose pas d’un système immunitaire adaptatif. En plus de ça, l’immunité de Roger ne se fait pas par l’intermédiaire de cellules spécialisées — à l’image des globules blancs chez les humains. À l’inverse, chacune de ses cellules va apporter sa pierre à l’édifice immunitaire.

Est-ce que Roger souffre d’une maladie particulière ? Son système immunitaire est-il grandement fragilisé ? Eh bien non, Roger est en très bonne santé, et pour cause, Roger est un lierre (Figure 1).

 Figure 1. Roger saluant la foule.
Crédit : Killarnee/CC BY-SA 4.0

À lui seul, Roger résume parfaitement les deux principales différences entre notre immunité et celle des plantes : pas de souvenir immunitaire de ses précédentes rencontres avec les pathogènes et pas de cellule spécifique impliquée uniquement dans la défense.

En regardant d’un peu plus près les réactions de Roger lorsqu’une bactérie pathogène se trouve dans son environnement proche, on se rend compte qu’il procède par étapes successives :

Roger va tenter de détecter des motifs moléculaires conservés, c’est-à-dire présents chez tous les pathogènes — PAMP de leur petit nom (pour Pathogen Associated Molecular Patterns). Ces PAMP peuvent être reconnus par des récepteurs situés à l’extérieur de la paroi des cellules de Roger. Suite à la détection de PAMP, des messages sont envoyés vers le noyau de la cellule qui contient la majeure partie de l’information génétique, où ils coordonnent les réponses de défense : renforcement de la paroi ou production de composés antimicrobiens par exemple. On parle alors d’immunité déclenchée par les PAMP.

En utilisant ses effecteurs, le pathogène peut procéder à différentes attaques ciblées à l’intérieur des cellules de Roger : blocage des messagers, du déploiement de molécules de défense, etc. Avec cette stratégie, les bactéries peuvent rapidement bloquer l’immunité déclenchée par les PAMP et tirer profit de la situation si la plante ne réagit pas.

Roger n’a toutefois pas pour autant dit son dernier mot. Sa dernière arme, et non des moindres, consiste à utiliser des protéines de résistance capables de reconnaître les effecteurs. Ces protéines de résistance activent alors l’immunité déclenchée par les effecteurs. S’il y a un temps pour la parole, Roger est déjà passé aux actes : la cellule infectée met alors en place la réponse hypersensible, une forme de suicide cellulaire [2]. Si Roger ne peut plus profiter de cette cellule, le pathogène non plus ! Dans ce cas de figure, la plante est dite résistante et ne tombe pas malade. Mais toutes les plantes n’ont pas nécessairement de protéine de résistance efficace pour chaque pathogène rencontré.

La Figure 2 résume les différentes interactions entre la bactérie et la cellule végétale.

Figure 2. Interactions plante-bactérie lors de l’initiation de l’infection. En bleu, les principaux mécanismes d’action des effecteurs bactériens. En vert, les principaux mécanismes de la plante ciblés par les effecteurs. Les flèches en pointillés correspondent à une inhibition. Protéines R : protéines de résistance.

Des échanges permanents entre les plantes et les pathogènes

Qu’est-ce qui détermine la neutralisation des défenses de la plante et la réussite de l’infection ? Si les effecteurs sont correctement déployés, leur réussite dépendra de plusieurs paramètres. Est-ce que les effecteurs ciblent bel et bien les mécanismes de cette plante en particulier ? Est-ce qu’ils ont une rapidité d’action suffisante par rapport à la mise en place des défenses ? La plante possède-t-elle des protéines de résistance pouvant les reconnaître ? Pouvant permettre l’infection comme l’annihiler en se faisant repérer, les effecteurs déterminent souvent l’issue du combat entre les plantes et les bactéries, d’où l’intérêt majeur de la compréhension de leurs modes d’action.

De très nombreux chercheurs ont travaillé sur le rôle des effecteurs bactériens pendant l’infection. Parmi eux, une équipe de l’Université du Nebraska a étudié en 2010 le rôle de l’effecteur HopG1, protéine de la bactérie Pseudomonas syringae pv. tomato. Après avoir mis en évidence que cette protéine est très présente chez la plupart des bactéries pathogènes pour les plantes, les auteurs ont cherché à comprendre son rôle lors de l’infection. 

Dans ce but, ils ont principalement travaillé avec la plante modèle Arabidopsis thaliana, l’arabette des dames, une sorte de chou sauvage très utilisé pour son cycle de vie rapide et sa capacité d’autofécondation. 

Un effet direct sur le système immunitaire des plantes

Les plantes ayant deux lignes de défense principale : l’immunité déclenchée par les PAMP et l’immunité déclenchée par les effecteurs, les chercheurs se sont demandés si HopG1 est capable de les perturber.

Pour cela, ils ont utilisé une approche assez contre-intuitive : étudier une souche de Pseudomonas incapable de produire l’effecteur HopG1. L’idée consiste à comparer une infection de plantes avec la bactérie sauvage — possédant l’effecteur HopG1 — à une infection de plantes avec la bactérie mutante qui ne l’a pas. Les auteurs ont alors remarqué que la réponse hypersensible est beaucoup plus importante avec la bactérie mutante. Ce suicide cellulaire correspond principalement à un mécanisme de l’immunité déclenchée par les effecteurs. Le fait que la réponse hypersensible soit plus importante dans le cas de l’infection par des bactéries sans HopG1 signifie cet effecteur peut bloquer cette immunité. Cela n’exclut pas pour autant un rôle dans un blocage éventuel de l’immunité déclenchée par les PAMP, les motifs moléculaires bactériens conservés. 

Pour le vérifier, l’équipe de recherche a utilisé une autre stratégie. L’idée est de mettre au contact de la plante une souche bactérienne qui n’est pas capable d’envoyer ses effecteurs. Aucune chance alors de provoquer une immunité déclenchée par les effecteurs en absence d’effecteur ! Par contre, l’immunité déclenchée par les PAMP reste toujours possible puisque Pseudomonas va se trouver dans la plante, à l’extérieur des cellules mais à proximité de la paroi des cellules et de ses récepteurs. Pour cela, les chercheurs ont utilisé une souche mutée de la bactérie Pseudomonas rendue incapable d’envoyer HopG1 dans les cellules végétales. Ils ont ensuite infecté des lignées d’Arabidopsis thaliana. Étant donné que la bactérie ne peut pas injecter HopG1 à l’intérieur des cellules, mais que les chercheurs veulent étudier son rôle au cours de l’infection, ils ont génétiquement modifié les lignées d’Arabidopsis thaliana pour que ce soit elles qui expriment HopG1. 

Les auteurs comparent alors les infections entre les plantes qui possèdent artificiellement HopG1 et les plantes témoins, c’est-à-dire les plantes non modifiées. Il s’avère que les bactéries se développent bien plus facilement dans les plantes exprimant HopG1 ! Cela signifie que HopG1 bloque aussi les défenses de la plante, indépendamment de l’immunité déclenchée par les effecteurs. HopG1 a donc aussi un rôle dans le blocage de l’immunité déclenchée par les PAMP.

Quel rôle pour HopG1 ?

Ces résultats montrent sans l’ombre d’un doute l’importance pour Pseudomonas d’avoir HopG1 à disposition lors de l’infection de l’arabette. On connaît dorénavant son implication dans le blocage de différents mécanismes de défense de la plante. Pour autant, on ne sait toujours pas par quel(s) mécanisme(s) moléculaire(s) HopG1 intervient. Avec quelle molécule de la plante interagit- il ? Dans quel compartiment cellulaire est-il localisé ? Quel club de football supporte-t-il ? Autant de questions qui restent en suspens…

En pratique, il n’existe pas de stratégie classique, évidente et surtout généralisable pour trouver la ou les cibles d’un effecteur. Il est donc extrêmement rare de la ou les identifier.

Chaque cellule de plante est délimitée par une paroi et une membrane. Mais elle contient elle-même différents compartiments. On peut citer le noyau dont nous avons déjà parlé, impliqué dans le maintien et l’expression des gènes, les chloroplastes où a lieu la photosynthèse, la vacuole où l’eau est stockée, etc. Afin de limiter le champ des possibles, les auteurs ont commencé par chercher le compartiment cellulaire de la plante dans lequel HopG1 se trouve au cours de l’infection. Pour cela, ils ont utilisé une approche très classique en biologie : ils ont fusionné HopG1 avec une protéine fluorescente verte, appelée GFP (pour Green Fluorescent Protein). Les chercheurs ont ensuite observé les feuilles au microscope, à la recherche de la fluorescence verte (Figure 3).

Figure 3. Exemple de localisation cellulaire mitochondriale. En vert, la fusion d’une protéine avec la GFP. En rouge, la fluorescence émise par le Mitotracker, un marqueur fluorescent ciblant les mitochondries. En jaune, la superposition des deux précédentes images, montrant que la GFP — et donc la protéine étudiée — et le Mitotracker se trouvent dans les mêmes compartiments. En pointant du doigt, Leonardo indique les mitochondries. Adapté de [3].

Ils ont constaté un résultat ressemblant à celui présenté Figure 3 : la fluorescence est localisée dans la mitochondrie. Indispensable à la grande majorité des cellules, la mitochondrie est le siège de la respiration cellulaire. En utilisant principalement du glucose et du dioxygène, la mitochondrie produit l’ATP, molécule énergétique indispensable à la réalisation de nombreuses réactions chimiques dans la cellule. Afin de voir si la respiration cellulaire était affectée par la présence de HopG1, les auteurs ont mesuré la quantité de dioxygène consommé par la plante. La comparaison d’une lignée d’Arabidopsis thaliana exprimant artificiellement HopG1 et d’une lignée témoin a alors mis en évidence une diminution de la respiration cellulaire en présence de HopG1.

Pour résumer, le travail de l’équipe des chercheurs a permis de démontrer l’importance de l’effecteur HopG1 dans le blocage des immunités déclenchées par les effecteurs et par les PAMP. Cette étude a également montré que HopG1 est localisé dans les mitochondries des cellules végétales, ainsi que son rôle dans l’altération de la respiration cellulaire (Figure Bilan).

Figure Bilan. Infection d’Arabidopsis thaliana par Pseudomonas syringae pv. tomato vue au niveau cellulaire. À proximité de la cellule végétale, Pseudomonas déploie sa « seringue moléculaire » qui lui permet l’envoi d’effecteurs dans la cellule végétale, qui facilitent l’infection. En bas à gauche, le déroulement de l’infection en présence de HopG1. En bas à droite, le déroulement de l’infection en l’absence de HopG1.

Dans cette publication, les chercheurs de l’Université du Nebraska apportent non seulement beaucoup d’informations sur l’importance de HopG1 pour la réussite de l’infection de Pseudomonas, mais démontrent aussi pour la première fois qu’un effecteur bactérien peut cibler la mitochondrie. Leur hypothèse est que HopG1 interagirait avec une ou plusieurs protéines dans la mitochondrie, avec pour conséquence une suppression de la réponse hypersensible de la cellule, nécessaire à ce moment-là pour bloquer la progression du pathogène à l’échelle de la plante. 

Ce travail de recherche montre également la difficulté de trouver la cible d’une protéine dans une cellule. De même, il n’est pas toujours facile de savoir si les conséquences que l’on observe sont un effet direct de l’interaction entre l’effecteur et sa cible, ou un effet collatéral sur un autre processus dans la cellule.

Mécanisme connu ou pas, Roger ne cache pas sa joie d’avoir tenu le choc. Mais il reste tout à fait conscient qu’un jour, un pathogène peut amener sa chute. « On ne vit qu’une fois ! Quand on va au front, on essaie de ne pas penser à ces choses là », conclut-il en agitant ses feuilles.

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[1] Fu et Dong. Systemic Acquired Resistance: Turning Local Infection into Global Defense. Annu. Rev. Plant Biol., 2013. DOI : 10.1146/annurev-arplant-042811-105606

[2] Jones et Dangl. The plant immune system. Nature, 2006. DOI :10.1038/nature05286

[3] Bentolila, S. et al. RIP1, a member of an Arabidopsis protein family, interacts with the protein RARE1 and broadly affects RNA editing. PNAS, 2012. DOI : 10.1073/pnas.1121465109

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Creative Commons License
Bastien Malbert/Papier-Mâché/CC BY 4.0


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