Analysis of the tripartite interaction between legumes, symbiotic nitrogen fixing bacteria and aphids | Analyse de l'interaction tripartite légumineuses, bactéries symbiotiques fixatrices d'azote et pucerons

English. Symbiotic bacteria are key drivers in shaping their host plants, aiding their adaptation to environmental challenges. Previous analysis has shown that symbiosis between Medicago truncatula and Sinorhizobium meliloti primes plant defence against the pea aphid Acyrthosiphon pisum. Within this framework, my research investigates how Medicago-aphid interaction is influenced and modulated by the plant symbiotic bacteria partner.First, I have investigated how nitrogen-fixing symbiosis (NFS) in the legume M. truncatula A17 modulates leaf metabolism during aphid infestation. Metabolomic analysis by LC-MS and GC-MS and defence gene expression analysis by RT-qPCR were performed in leaves of both NFS and nitrate-fed (non-inoculated; NI) plants with and without aphid infestation (Amp). Our results showed that accumulation of primary and specialized metabolites was modulated by both NFS and aphid infestation. Amongst the 194 identified metabolites, 62 defence-related compounds such as salicylate, pipecolate, gentisic acid and several soluble sugars were differentially regulated by aphid infestation in both NFS and NI conditions. Interestingly, 19 metabolites, including triterpenoid saponins, accumulated specifically in NFS_Amp conditions. Gene expression analysis showed that aphid-infested plants exhibited significantly higher expression of Pathogenesis Related Protein 1, a marker for the salicylic acid pathway, under both NFS and NI conditions. Proteinase Inhibitor, a marker of the jasmonic acid pathway, was also induced by aphid infestation, but with significantly higher expression in NFS conditions compared to NI conditions. We also observed in aphid-infested plants significantly higher expression of Chalcone isomerase, flavonol synthase, hydroxyisoflavone-O-methyl transferase and Pterocarpan synthase, while D-pinitol dehydrogenase was only significantly induced in NI infested leaves. Thus, in addition to being a plant nitrogen provider, NFS stimulates accumulation of specialized Medicago defences metabolites upon aphid attack.Second, since aphids are phloem-feeding herbivores and the phloem is a vital organ for solute transport and defence within the plant, I have also analysed the M. truncatula plant phloem metabolome and proteome on NFS and NI plants, with and without aphid infestation. Proteins were analysed from “in stacking gel” by LC-MSMS and untargeted metabolomic was done both by hydrophobic C18 and hydrophilic HILIC LC-MS. 61 defence-related metabolites like salicylic acid, pipecolic acid, DIBOA, and 12 defence-related proteins like PR-10, Hevein, ABA-responsive protein, were significantly modulated by aphid infestation in both NFS and NI conditions. Using MixOmics analysis to search for correlation between metabolites and proteins, I found that developmental proteins such as amine oxidase and the aspartic proteinase nepenthesin-like were negatively regulated when defence metabolites like salicylic acid and p-hydroxybenzoic acid were produced during infestation, whereas defence related proteins like plastocyanin-like domain protein were positively regulated. This translates in the reduced production of carboxylic acids and an overall increase in phenolics and isoflavones during infestation. Although we found no plant metabolites or proteins significantly modulated by NFS during aphid infestation, we found the accumulation of 37 aphid cellular and membrane proteins in the plant phloem while feeding, of which 20 were significant to NFS conditions during infestation including many cellular and membrane linked proteins.These findings lay the groundwork for incorporating symbiotic interactions into future research and exploring their practical applications as a potential enhancer of plant defences against herbivores. This approach could offer a novel form of biological control, contributing to integrated pest management strategies.

French. Les bactéries symbiotiques jouent un rôle clé dans le développement et l'adaptation de leurs plantes hôtes. De précédentes analyses montrent que la symbiose entre la légumineuse Medicago truncatula et Sinorhizobium meliloti stimule la défense des plantes contre le puceron du pois Acyrthosiphon pisum. Ma thèse porte sur la manière dont l'interaction luzerne-puceron est influencée par la bactérie symbiotique de la plante.J'ai d'abord étudié comment la symbiose fixatrice d'azote (NFS) de M. truncatula module le métabolisme des feuilles lors d'une infestation de pucerons. Une analyse métabolomique (LC-MS et GC-MS) et une analyse de l'expression des gènes de défense par RT-qPCR ont été réalisées pour des plantes NFS et des plantes nourries au nitrate (non inoculées ; NI), avec et sans infestation de pucerons (Amp). J'ai observé que l'accumulation de métabolites primaires et spécialisés est modulée à la fois par le NFS et par les pucerons. Parmi les 194 métabolites identifiés, 62 composés liés à la défense tels que le salicylate, le pipecolate, l'acide gentisique et plusieurs sucres solubles sont régulés de manière différentielle par les pucerons à la fois dans les conditions NFS et NI. 19 métabolites, dont des saponines triterpénoïdes, sont accumulés spécifiquement dans les conditions NFS_Amp. J'ai confirmé que les plantes infestées par les pucerons ont une expression significativement plus élevée du gène PR1, un marqueur de la voie de l'acide salicylique, à la fois dans les conditions NFS et NI. L'inhibiteur de protéinase PI, un marqueur de la voie de l'acide jasmonique, est également induit par les pucerons, mais significativement plus dans les conditions NFS par rapport aux NI. Nous avons également observé dans les plantes infestées par les pucerons une expression significativement plus élevée des gènes de la voie des phénylpropanoïdes, tandis que la D-pinitol déshydrogénase n'était induite significativement que dans les plantes NI infestées. Ainsi, en plus de fournir l'azote pour la plante, la NFS stimule l'accumulation de métabolites spécialisés dans les défenses en cas d'attaque de pucerons.Les pucerons se nourrissant de phloème, un fluide vital pour le transport des solutés et la défense de la plante, j'ai également analysé le métabolome et le protéome du phloème de M. truncatula NFS et NI, avec et sans infestation. Les protéines ont été analysées in gel par LC-MSMS et le métabolome non ciblé par LC-MS C18 et HILIC. 61 métabolites liés à la défense comme l'acide salicylique, l'acide pipécolique, le DIBOA, et 12 protéines liées à la défense comme PR-10, Hevein, ABA-responsive protein, ont été significativement changées par les pucerons à la fois dans les conditions NFS et NI. Une analyse MixOmics a permis de montrer que les protéines de développement telles que l'amine oxydase et la protéinase aspartique de type nepenthesin étaient corrélées négativement avec des métabolites de défense tels que l'acide salicylique et l'acide p-hydroxybenzoïque produits pendant l'infestation, alors que les protéines liées à la défense telles que la plastocyanine-like domain étaient corrélées positivement. Cela se traduit par une production réduite d'acides carboxyliques et une augmentation globale des composés phénoliques et des isoflavones pendant l'infestation. Bien que je n'ai pas trouvé de métabolites ou de protéines de la plante significativement modulés par la NFS pendant l'infestation, j'ai constaté l'accumulation de 37 protéines cellulaires et membranaires de pucerons dans le phloème, dont 20 étaient significatives pour les conditions du NFS pendant l'infestation suggérant une atteinte physiologique.Ces résultats jettent les bases de l'intégration des interactions symbiotiques dans les recherches futures et de l'exploration de leurs applications pratiques en tant qu'amélioration potentielle des défenses des plantes contre les herbivores, pouvant constituer une nouvelle stratégies de lutte intégrée contre les ravageurs.