Study of interactions of plants and endophytic microorganisms for characterizing active molecules for biocontrol and pharmaceutical applications - LUE Lorraine Université d'Excellence Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Study of interactions of plants and endophytic microorganisms for characterizing active molecules for biocontrol and pharmaceutical applications

Étude des interactions plantes-microorganismes endophytes pour caractériser des molécules actives pour le biocontrôle et pour des applications pharmaceutiques

Munakata Yuka

Résumé

Since the mid-21st century, the use of synthetic chemistry has provided a range of effective solutions for plant health (pesticides) and human health (medicines). However, the widespread use of some of these solutions has raised concerns for the environment and for human health and has led to the selection of resistant populations of pathogens. These effects call into question the use of these solutions to control plant and human pathogens. It is, therefore, necessary to identify innovative and more sustainable solutions for crop protection and drug development. One strategy is to explore new biological resources such as microbial resources.My thesis focused on bacteria that realize part of their life cycle in plant tissues and are called endophytic bacteria. These micro-organisms have interesting potential for the development of biocontrol solutions for agriculture and for the production of pharmaceutical drugs. In the two first chapters of this thesis, I explored the taxonomic and functional diversity of the endophytic communities of two plant species with remarkable properties, Chrysopogon zizanioides, and Leucojum aestivum, using metabarcoding approaches and/or isolation of bacterial strains. In particular, I have established strain libraries whose activities against wheat pathogenic fungi and, in particular, against Fusarium graminearum have been analyzed. Some strains affiliated to the genera Bacillus, Serratia, Janthinobacterium, or Streptomyces showed excellent inhibition of the mycelial growth of the plant pathogen in in vitro co-culture. Specialized metabolites produced by these strains were also studied, targeting two groups of molecules known for their antimicrobial activities or their therapeutic interest, alkaloids, and lipopeptides. Thus, a precursor of indole alkaloids was identified in two bacterial strains isolated from L. aestivum. Lipopeptides, already known for their antimicrobial activities, were also identified in Bacillus subtilis strains isolated from vetiver roots.Both approaches led to the identification of numerous strains but only a few interesting candidates. In the third chapter, I investigated an innovative strategy to easier target microorganisms of interest, and I focused on the protection of wheat against F. graminearum. The preliminary results provided a fundamental part to test the concept of the host-mediated engineering of soil and endosphere microbiota toward a resistant microbial community, leading to more efficient isolation of functional endophytes.This work, by exploring the endophyte diversity associated with plants with particular properties, provides very rich biological material that might be used as biocontrol solutions or for the production of bioactive compounds.
Depuis le milieu du XXième siècle, le recours à la chimie de synthèse a permis de disposer d’un ensemble de solutions efficaces pour améliorer la santé des plantes (produits phytosanitaires) et la santé humaine (médicaments). Cependant, l’utilisation généralisée de certaines de ces solutions (produits phytosanitaires et antibiotiques), a eu des effets non intentionnels sur l’environnement et a conduit à la sélection de populations d’agents pathogènes résistants. Ces effets mettent en péril le recours à ces solutions pour maitriser les agents pathogènes des plantes et de l’homme. Il est donc devenu nécessaire d’identifier de nouvelles solutions, plus durables, pour la protection des cultures et le développement de médicaments, en explorant de nouvelles ressources biologiques et notamment des ressources microbiennes. Ma thèse s'est concentrée sur des bactéries qui effectuent tout ou partie de leur cycle dans les tissus de la plante et qui sont appelées des bactéries endophytes. Les bactéries endophytes présentent des potentialités intéressantes pour le développement de solutions de biocontrôle et production de bioactifs pharmaceutiques. Dans les deux premiers chapitres de cette thèse, j’ai exploré, par des approches de métabarcoding et/ou isolement des souches bactériennes, la diversité taxonomique et fonctionnelle des communautés endophytes de deux espèces végétales aux propriété remarquables, Chrysopogon zizanioides (le vétiver) et Leucojum aestivum (la nivéole d’été). J’ai ainsi constitué des banques de souches de bactéries endophytes dont les activités antifongiques vis-à-vis de champignons pathogènes du blé et, en particulier vis-à-vis de Fusarium graminearum, ont été analysées. Certaines souches affiliées aux genres Bacillus, Serratia, Janthinobacterium ou Streptomyces ont montré une excellente inhibition de la croissance mycélienne du phytopathogène en co-culture in vitro. Des métabolites spécialisés produits par ces souches ont également été étudiés, en ciblant deux groupes de molécules connues pour leurs activités antimicrobiennes ou leur intérêt thérapeutique : les alcaloïdes et les lipopeptides. Ainsi, un précurseur des alcaloïdes indoliques a été identifié dans deux souches bactériennes isolées de L. aestivum. Des lipopeptides, déjà connus pour leurs activités antimicrobiennes, ont également été identifiés dans des souches de Bacillus subtilis isolées des racines de vétiver. Ce travail, en explorant la diversité microbienne associée à des plantes aux propriétés particulières, a fourni un matériel biologique très riche qui pourra être utilisé pour caractériser de nouvelles solutions de biocontrôle ou pour la production de composés bioactifs. Les travaux réalisés dans les 2 premiers chapitres m’ont amené à isoler de nombreuses souches de bactéries dont seulement certaines sont potentiellement intéressante. Dans le troisième chapitre j’ai réalisé un travail préliminaire et innovant visant à enrichir un sol en bactéries potentiellement intéressantes. Ce travail apporte la preuve de concept de l'intérêt de s'appuyer sur le génotype de l'hôte et la suppressivité du sol pour guider le recrutement de microorganismes bénéfiques par la plante. Cette thèse pourrait ainsi fournir de nouvelles perspectives en termes de stratégies de sélection de solutions microbiennes de biocontrôle.
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  • HAL Id : tel-03717965 , version 1

Citer

Munakata Yuka. Study of interactions of plants and endophytic microorganisms for characterizing active molecules for biocontrol and pharmaceutical applications. Biochemistry, Molecular Biology. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0317⟩. ⟨tel-03717965⟩
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