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La biologie des systèmes, une approche pour déchiffrer la complexité des infections bactériennes

Lors d’une infection, les agents pathogènes font face à un dilemme énergétique. Ils doivent utiliser des ressources pour se multiplier mais également pour produire des molécules de virulence essentielles à leur survie. Si ce dilemme est admis par la communauté scientifique, il n’a jamais été véritablement quantifié. Une équipe de recherche du Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes (LIPM) du centre Inra Occitanie-Toulouse a reconstruit pour la première fois un réseau intégrant les fonctions métaboliques et les fonctions de virulence d’un pathogène majeur, Ralstonia solanacerum. Couplée à des validations expérimentales, cette approche théorique a permis de mettre en évidence les mécanismes moléculaires sous-jacents au compromis croissance/virulence. 

. © Inra
Par Irène TROIN
Mis à jour le 31/03/2017
Publié le 31/03/2017

Le dilemme des pathogènes

Au cours d’une infection, l’adaptation des pathogènes et particulièrement de leur métabolisme est cruciale. Face au système de défense mis en place par la plante, ils évoluent dans un environnement stressant et doivent exploiter au mieux les nutriments disponibles. D’un côté, les agents pathogènes extraient et utilisent les ressources à leur disposition pour proliférer et se multiplier. De l’autre, ils doivent mobiliser de la matière et de l’énergie pour produire et sécréter des facteurs de virulence. Ces facteurs de virulence sont à l’origine de leur pouvoir pathogène et sont essentiels à la stratégie d’infection. Les facteurs de virulence permettent de contourner et dérégler le système immunitaire de l’hôte, et parfois de le tuer. Toutes ces productions représentent un coût significatif pour le pathogène.

Ce dilemme d’allocation des ressources est un fait admis par les scientifiques mais il n’a jamais été véritablement démontré et étudié. La compréhension de ce mécanisme revêt une importance particulière pour élucider les stratégies mises en œuvre chez les pathogènes pour infecter les plantes. En reconstruisant les réseaux d’interactions moléculaires de la bactérie Ralstonia solanacearum, les chercheurs de l’équipe « Pouvoir pathogène de Ralstonia et adaptation à son environnement » du LIPM à l’Inra ont déterminé comment la répartition des ressources nutritionnelles est orchestrée lors d’une d'infection. Ils ont notamment quantifié le coût de la production d’exopolysaccharides, des facteurs de virulence au rôle critique.

R. solanacerum est un des pathogènes de plantes les plus destructifs au monde. Présente un peu partout dans le monde, la bactérie infecte les plantes sans trop de spécificité et persiste longtemps dans les sols et les milieux aqueux. Elle s’introduit au niveau de blessures racinaires et se propage à travers les vaisseaux conducteurs de sève où elle se multiplie et produit de grandes quantités de facteurs de virulence. Parmi ces derniers, des sucres complexes appelés exopolysaccharides s’accumulent dans le système vasculaire de la plante et bloquent les flux d’eau. Ces sucres sont responsables du principal symptôme de la présence de R. solanacerum, le flétrissement général de la plante.

Le répertoire métabolique de R. solanacearum enfin cartographié

En couplant modélisation et validation expérimentale, les chercheurs de l’Inra ont démontré l’existence d'un compromis entre l'expression des voies métaboliques nécessaires pour soutenir la croissance bactérienne et celles requises pour la production des facteurs de virulence. Ce mécanisme de compromis est contrôlé par une protéine régulatrice, appelée PhcA. Le coût de la production de facteurs de virulence, comme les exopolysaccharides, impacte fortement la croissance bactérienne et a de fortes conséquences dans la stratégie d’infection du pathogène. L’analyse a également permis d’identifier des substrats métaboliques avec un impact considérable sur la croissance bactérienne durant l’infection.

Ces découvertes ont été permises grâce à la reconstruction fine des réseaux métaboliques et des fonctions de virulence de R. solanacearum. L’approche théorique utilisée, la biologie des systèmes, œuvre à comprendre la totalité d’un modèle. A l’image de la médecine interne, cette discipline étudie les relations et les interactions entre les différentes parties d’un système biologique afin d’en percevoir le fonctionnement global. La carte de plus de 2300 réactions mise à jour compte parmi les plus élevées pour le modèle bactérien. Elle ouvre la voie à une analyse globale des capacités trophiques, c’est-à-dire l’aptitude de la bactérie à utiliser les nutriments disponibles dans son environnement durant les phases d’infection, mais également dans d’autres niches écologiques telles que le sol ou les environnements aqueux qui favorisent sa dissémination.

L’identification de substrats métaboliques présents chez l’hôte et ayant potentiellement un impact important sur la croissance bactérienne est ainsi une première piste pour mieux comprendre certaines clés de la stratégie infectieuse de R. solanacearum. La compréhension des relations entre hôte et pathogène offre de nouvelles perspectives de lutte. En effet, des stratégies visant à éteindre chez l’hôte l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme ou la croissance des agents pathogènes peuvent être envisagées. Par exemple, en générant chez les plantes un mécanisme de résistance qui limiterait l’accès aux nutriments utilisés par les pathogènes.

Référence

Peyraud R, Cottret L, Marmiesse L, Gouzy J, Genin S (2016) A Resource Allocation Trade-Off between Virulence and proliferation Drives Metabolic Versatility in the Plant Pathogen Ralstonia solanacearum. PLoS Pathog 12(10): e1005939. 
doi: 10.1371/journal.ppat.1005939