LUE - Identification de bactéries endophytes chez des Amaryllidaceae comme source de production de molécules potentiellement actives contre des agents pathogènes du blé (financement LUE international)

Offre de thèse

Date limite de candidature

16-06-2024

Date de début de contrat

01-10-2024

Directeur de thèse

LAURAIN-MATTAR Dominique

Encadrement

Cette thèse est inscrite dans le cadre d'une coopération de longue date entre le Pr D. Laurain-Mattar et le Dr R. Spina, au LAE, et le Pr A. Ptak de l'Université d'Agriculture à Cracovie en Pologne. Le doctorant sera encadré par ces trois personnes avec une réunion mensuelle pour mesurer l'état d'avancement du projet de recherche. Par ailleurs, un suivi quotidien sera réalisé au sein du laboratoire où auront lieu les expérimentations.

Type de contrat

Financement d'un établissement public Français

Candidater à cette offre target="_blank"

école doctorale

SIReNa - SCIENCE ET INGENIERIE DES RESSOURCES NATURELLES

équipe

contexte

As part of the agro-ecological transition, the green deal is moving towards agriculture without synthetic pesticides in Europe while maintaining economically efficient agriculture. This plan suggests reducing the use of chemical inputs setting up more adapted plants to climate change and more resistant to pests. Another suggestion is to use more environmental-friendly solutions including the identification of new natural agents for facing disease or insect attacks. Plants interact with microbes from the environment and microbes can colonize plant surfaces and /or inner tissues [12]. Some of the microbes, such as bacterial or fungal communities, that enter and develop into the plant, without any visible symptoms during part or whole life cycles, are called endophytes [13]. Endophytes have often been described as plant growth enhancers [14]. Some endophytes are known to be beneficial for plant health. In particular, these microorganisms can increase plant tolerance against bioagressors through the induction of specialized metabolite production in host plants [15]. Also endophytes have been reported as being capable of mimicking the secondary metabolite repertoire of the host plant.

spécialité

Sciences agronomiques

laboratoire

LAE - Laboratoire Agronomie et environnement

Mots clés

metabolomique, Amaryllidaceae, alcaloïdes, endophytes, voie de biosynthèse, RMN

Détail de l'offre

Dans le cadre de la transition agroécologique, le pacte vert s'oriente vers une agriculture sans pesticide de synthèse en Europe tout en maintenant une agriculture économiquement performante. Il est conseillé d'utiliser des solutions plus respectueuses de l'environnement, notamment de nouveaux agents naturels pour faire face aux maladies ou aux attaques d'insectes. Les plantes interagissent avec les microbes de l'environnement et les microbes peuvent coloniser les surfaces des plantes et/ou les tissus internes [1]. Certains des microbes, qui pénètrent et se développent dans la plante, sans aucun symptôme visible pendant une partie ou la totalité du cycle de vie, sont appelés endophytes [2]. Les endophytes ont souvent été décrits comme des stimulateurs de croissance des plantes [3,4]. Ces caractéristiques peuvent suggérer l'utilisation de microbes endophytes comme biofertilisants et biostimulants plutôt que des composés chimiques. Les endophytes ont été rapportés comme étant capables de synthétiser les mêmes métabolites secondaires que la plante hôte [5]. Cependant, très peu de travaux cherchent à explorer les mécanismes possibles de production des métabolites secondaires associés à la plante hôte dans ces organismes.
Nos recherches portent sur la phytochimie des plantes de la famille des Amaryllidacées et de leurs endophytes. C'est une famille de plantes à bulbe connue pour la production d'alcaloïdes [6]. Les alcaloïdes sont concentrés dans les bulbes [7]. Ce sont des molécules à forte valeur ajoutée avec des applications pharmaceutiques et agronomiques. Par exemple, la galanthamine est utilisée contre la maladie d'Alzheimer. La lycorine est connue pour son activité allélopathique [7] et elle a montré une activité antifongique intéressante contre Phytophthora capsica, ouvrant des possibilités d'utilisation comme produits agrochimiques (8). Le profil métabolique a été mis en évidence lors de l'inoculation de bactéries endophytes à des plantes produisant des alcaloïdes comme la galanthamine [9]. Récemment, nous avons découvert que la bactérie endophyte Bacillus sp., isolée à partir de bulbilles in vitro de Leucojum aestivum, est capable de biosynthétiser la lycorine et d'autres alcaloïdes des Amaryllidaceae [10]. La bactérie endophyte Paenibacillus lautus, isolée à partir de bulbilles in vitro de Leucojum aestivum, peut également être utilisée comme éliciteur de la biosynthèse des alcaloïdes d'Amaryllidaceae dans les plantules [3].
L'amélioration des défenses des plantes par les endophytes est obtenue via la combinaison de plusieurs mécanismes tels que l'induction de l'immunité des plantes, la compétition de niche et la production de biomolécules telles que des molécules spécialisées et des antibiotiques. Ces biomolécules participent à la communication avec les plantes hôtes et avec d'autres micro-organismes. Ils sont également impliqués dans des effets antagonistes contre certains ravageurs des plantes. Dans des projets antérieurs, nous avons découvert la présence de bactéries endophytes dans des cultures de tissus de Leucojum aestivum et des bulbes in vitro et leur capacité à accumuler des alcaloïdes d'Amaryllidaceae tels que la galanthamine et la lycorine [10,3]. Alors que les bactéries endophytes isolées de plantes in vivo de Leucojum aestivum n'étaient pas capables de produire ces composés [11]. Cependant, certaines souches endophytes, produisant un alcaloïde indole, le tryptophol, ont montré des effets antagonistes significatifs contre certains pathogènes fongiques du blé tels que Fusarium graminearum et Microdochium nivale. Toutes ces activités sont influencées par les interactions qu'elles établissent entre la plante hôte et les endophytes. Il est donc crucial de comprendre comment les bactéries endophytes interagissent dans des conditions in vitro contrôlées avec les plantes et comment ces interactions affectent la synthèse de métabolites spécialisés dans ces micro-organismes.

Keywords

metabolomics, Amaryllidaceae, alkaloids, endophytes, biosynthetic pathway, NMR

Subject details

As part of the agro-ecological transition, the green deal is moving towards agriculture without synthetic pesticides in Europe while maintaining economically efficient agriculture. A suggestion is to use more environmental-friendly solutions including the identification of new natural agents for facing disease or insect attacks. Plants interact with microbes from the environment and microbes can colonize plant surfaces and /or inner tissues [1]. Some of the microbes, such as bacterial or fungal communities, that enter and develop into the plant, without any visible symptoms during part or whole life cycles, are called endophytes [2]. Endophytes have often been described as plant growth enhancers [3,4]. These features may suggest the use of endophytic microbes as biofertilizers and biostimulants instead of chemical ones. Endophytes, mainly endophytic fungi, have been reported as being capable of mimicking the secondary metabolite repertoire of the host plant [5]. However very few reports seek to explore the possible mechanisms of production of host–plant associated or novel secondary metabolites in these organisms. Our research is focused on phytochemistry of Amaryllidaceae plants and their endophytes. Amaryllidaceae family is a bulbous and perennial plant family that is famous for its alkaloid productions [6]. Amaryllidaceae alkaloid profiles differ in plant organs however they are specially concentrated in bulbs [7]. These alkaloids are high value-added molecules with pharmaceutical and agricultural applications. Among these molecules, galanthamine is being used for commercial drugs against Alzheimer's disease and lycorine is known for its allelopathic activity [7]. Lycorine exhibited interesting antifungal activity against Phytophthora capsica opening possibilities of use as potential agrochemicals [8]. In the literature, the metabolic profile has been highlighted when inoculation endophytic bacteria to plants producing alkaloids such as galanthamine [9]. Recently, we discovered, for the first time, that endophytic bacterium Bacillus sp., isolated from in vitro bulblets of Leucojum aestivum is able to biosynthesize lycorine and others Amaryllidaceae alkaloids [10]. Also the endophytic bacterium Paenibacillus lautus, isolated from in vitro bulblets of Leucojum aestivum, can be used as elicitor of Amaryllidaceae alkaloids biosynthesis in plantlets [3]. The enhancement of plant defenses by endophytes is achieved via the combination of several mechanisms such as plant immunity induction, niche competition and the production of biomolecules such as specialized metabolites and antibiotics. These biomolecules are involved in the communication with the host plants and with other microorganisms. They are also involved in antagonistic effects against some plant pests and pathogens. In previous projects, we have discovered the presence of endophytic bacteria in Leucojum aestivum tissue cultures and in vitro bulbs and their ability to accumulate Amaryllidaceae alkaloids such as galanthamine and lycorine [10,3]. While endophytic bacteria isolated from Leucojum aestivum in vivo plants were not able to produce these compounds [11]. However, some endophytic strains, producing an indole alkaloid, the tryptophol, displayed significant antagonistic effects against some wheat fungal pathogens such as Fusarium graminearum and Microdochium nivale. All these activities are influenced by the interactions they establish between the host plant and the endophytes. Thus, it is crucial to understand how endophytic bacteria interact in controlled in vitro conditions with plants and how these interactions affect the specialized metabolites synthesis in these microorganisms.

Profil du candidat

Master en chimie des produits naturels ou chimie analytique.

Expérience dans l'élucidation des structures de produits naturels par RMN 1D et 2D et HRMS, traitement des données sur réseaux moléculaires et approches statistiques métabolomiques, développement et validation de méthodes d'analyse quantitative, chimiométrie.
L'ingénierie des procédés industriels pour la production de métabolites végétaux, la mise à l'échelle en laboratoire pilote de ces procédés seront également appréciées.

Candidate profile

Master in natural products chemistry or analytical chemistry.
Experience in: background in elucidating the structures of natural products using 1D and 2D NMR and HRMS, molecular network data processing and metabolomic statistical approaches, development and validation of quantitative analysis methods, chemometrics.
Industrial processes engineering for the production of plant metabolites, lab-pilot scale-up of these processes will be also appreciated.

Référence biblio

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[13]. Diop, M.F.; Hehn, A.; Ptak, A.; Chrétien, F.; Doerper, S.; Gontier, E.; Bourgaud, F.; Henry, M.; Chapleur, Y.; Laurain-Mattar, D. Hairy Root and Tissue Cultures of Leucojum Aestivum L.—Relationships to Galanthamine Content. Phytochem Rev 2007, 6, 137–141, doi:10.1007/s11101-006-9043-z.
[14]. Ptak, A.; Tahchy, A.E.; Dupire, F.; Boisbrun, M.; Henry, M.; Moœ, M.; Chapleur, Y.; Laurain-Mattar, D. LC-MS Analysis of Alkaloids in Bulbs and in Vitro Cultures of Leucojum Aestivum (Amaryllidaceae). Planta Med 2008, 74, PC42, doi:10.1055/s-0028-1084560.
[15]. Ptak, A.; El Tahchy, A.; Dupire, F.; Boisbrun, M.; Henry, M.; Chapleur, Y.; Mo&#347;, M.; Laurain-Mattar, D. LCMS and GCMS for the Screening of Alkaloids in Natural and in Vitro Extracts of Leucojum Aestivum. J. Nat. Prod. 2009, 72, 142–147, doi:10.1021/np800585c.