Study of metabolic interactions between plant and xylem-colonizing bacteria using constraint-based modeling | Etude des interactions métaboliques entre plante et bactériescolonisatrices du xylème en utilisant la modélisation parcontraintes

English. Several pathogenic bacteria that cause devastating diseases in plants colonize the xylem vessels. Xylem sap is often described as being poor in organic carbon, which is paradoxical since some bacteria can reach high cellular densities in this environment. Furthermore, recent studies revealed a close relationship between the regulation of virulence and metabolism in these bacteria. Thus, an integrative analysis of plant host and bacterial metabolisms should help understanding the contribution of bacterial nutrition to virulence once in the plant. To this end, we used constraint-based metabolic modeling. This methodology relies on the formulation of linear optimization problem and predicts/quantifies the fluxes of matter from substrate assimilation to biomass production. As model organisms, we used a bacterium from the Ralstonia solanacearum species complex (Ralstonia pseudosolanacearum GMI1000), the causal agent of bacterial wilt, and its natural host tomato. The first part of the project aimed at building a multi-organ metabolic model of the plant, supported by the acquisition of experimental data, and integrating the fluxes of matter of xylem. This model was shown to be a relevant tool to predict xylem composition upon environmental or physiological conditions. Physiological and metabolic dynamics of bacterial wilt on tomato were then characterized through an experimental study. It allowed quantifying the key parameters of the interaction. Notably, a tipping point towards disease happens after a strong bacterial proliferation and a drain of glutamine and asparagine in the xylem. These parameters were used to build and calibrate a metabolic model of the R. solanacearum – tomato interaction that predicted: i) the bacterial density threshold detrimental to plant growth, ii) the maximal bacterial density that can be reached in the plant through xylem fluxes, iii) the respective contribution of sugars and glutamine in the interaction. The model revealed that the bacterial density limiting plant growth was close to the tipping point observed experimentally, suggesting that resource exploitation was a key feature required for disease. In addition, the xylem fluxes could sustain a rapid growth of R. solanacearum until very high densities, indicating that xylem should not be considered as a ‘poor environment’ for infectious bacteria. Finally, the modeling results suggest a critical role for glutamine. Linking plant nutrition and cultivation condition to glutamine flux in xylem appears a promising perspective to restrict the effect of xylem-colonizing bacteria on crops. To have a more global overview of the role of metabolism in xylem-colonizing bacteria lifestyles, the metabolic model of another bacterium, Xylella fastidiosa (subsp. multiplex CFBP8418) was built and manually curated using literature and experimental databases. I demonstrated that X. fastidiosa specificities (slow growth, environmental specialization) are reflected in its metabolic capacities (reduced and weakly robust compared to R. solanacearum) as well as in the absence of some metabolic reactions/pathways suspected to contribute to fast growth. The reconstruction of metabolic models thus appears to be a relevant tool to better characterize the different lifestyles of bacterial plant pathogens.

French. Parmi les bactéries pathogènes de plantes les plus préoccupantes, plusieurs colonisent les vaisseaux du xylème. Le xylème est décrit comme un environnement pauvre en sources carbonées, ce qui paraît paradoxal puisque certaines bactéries y atteignent de hautes densités cellulaires. Par ailleurs, des études récentes ont mis en lumière l’étroite relation entre la régulation de la virulence et du métabolisme chez ces bactéries. Ces constats nous poussent à adopter une analyse intégrative des métabolismes de la plante hôte et de la bactérie, pour mieux comprendre la contribution de la nutrition bactérienne in planta dans l’interaction avec l’hôte. Nous nous proposons d’utiliser pour cela la modélisation métabolique par contraintes. Cette méthodologie repose sur la formulation de problèmes d’optimisation linéaire et permet de prédire et de quantifier l’ensemble des flux matière empruntés entre l’assimilation d’un substrat et la production de biomasse. Nous avons utilisé comme modèles la bactérie Ralstonia solanacearum (formellement Ralstonia pseudosolanacearum GMI1000), agent causal du flétrissement bactérien, et la tomate, son hôte naturel. La première partie de ces travaux a donc consisté à construire un modèle métabolique multi-organe de la plante, soutenu par l’acquisition de données expérimentales, et intégrant les flux matière du xylème. Ce modèle s’est révélé un outil pertinent pour prédire la composition du xylème à partir des conditions environnementales et physiologiques de la plante. Ensuite, une étude expérimentale de la dynamique physiologique et métabolique du flétrissement bactérien sur tomate a permis de quantifier des paramètres clés de l’interaction. Notamment, un point de basculement vers la maladie a été caractérisé, intervenant après une forte prolifération de la bactérie et un épuisement de la glutamine et de l’asparagine dans le xylème. Ces paramètres ont été utilisés pour développer un modèle métabolique de l’interaction R. solanacearum – tomate calibré sur de nombreuses données expérimentales, et de prédire : i) la densité bactérienne qui sera nuisible à la croissance de la plante, ii) la densité bactérienne maximale pouvant proliférer dans la plante grâce aux flux du xylème, iii) la contribution de l’assimilation des sucres et de la glutamine dans l’interaction. Il a ainsi été révélé que la densité bactérienne limitant la croissance de la plante était proche de celle du point de basculement obtenu expérimentalement, suggérant que l’utilisation des ressources est un paramètre clé dans le basculement vers la maladie. Aussi, les flux du xylème sont en mesure de soutenir une croissance rapide de R. solanacearum jusqu’à des densités très élevées, soulevant donc qu’en prenant en compte des données quantitatives, le xylème n’est pas à considérer comme pauvre pour la bactérie. Enfin, un rôle particulièrement critique de la glutamine est suggéré par le modèle. Relier la nutrition de la plante et ses conditions de culture au flux de glutamine dans le xylème apparaît donc une piste prometteuse pour limiter l’effet de bactéries colonisatrices du xylème sur les cultures. Afin de parvenir à une vision plus globale du rôle du métabolisme dans le mode de vie des bactéries colonisatrices du xylème, le modèle métabolique d’une autre bactérie, Xylella fastidiosa (sous-espèce multiplex CFBP8418), a été reconstruit et manuellement curé en utilisant la littérature et des données expérimentales. Il a ainsi été montré que les particularités de X. fastidiosa (croissance très lente, spécialisation environnementale) se répercutaient dans ses capacités métaboliques (restreintes et peu robustes par rapport à R. solanacearum), et dans l’absence de plusieurs réactions ou voies suspectées de contribuer à une croissance rapide. La reconstruction de modèles métaboliques constitue donc un outil pertinent pour comprendre et expliquer les différences de styles de vie entre bactéries pathogènes de plantes.