Thèse Fonction et Rôle Écologique d'Une Toxine Produite par des Bactéries Pathogènes et Endophytes. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SEVAB - Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingenieries Laboratoire de recherche : LIPME - Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement Direction de la thèse : Aurélien CARLIER ORCID 0000000175651586 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 La gousiekte est une maladie du bétail (bovins, ovins) causée par l'ingestion de plantes toxiques poussant en Afrique du Sud. La toxine causant la maladie, une polyamine appelée pavettamine, a été isolée à partir de feuilles de plantes sud-africaines. La pavettamine est présente dans des espèces végétales non apparentées, et sa voie de biosynthèse est restée un mystère pendant plus d'un siècle. Des données obtenues dans le laboratoire d'accueil montrent qu'un groupe de gènes porté par des endophytes bactériens est en fait responsable de la synthèse de la toxine. Ce groupe de gènes a été vraisemblablement acquis par transfert horizontal de gènes à partir de bactéries pathogènes animales et humaines appartenant au complexe Burkholderia pseudomallei et pourrait jouer un rôle méconnu dans la pathogenicité de ces organismes. L'objectif du projet est de décrypter la voie biosynthétique de la pavettamine et d'étudier les rôles possibles que cette toxine pourrait jouer dans le mode de vie des endophytes foliaires obligatoires et des pathogènes animaux ou humains. Cela sera réalisé par la caractérisation biochimique de la voie reconstituée dans un hôte hétérologue, la mesure de la compétitivité de souches exprimant la pavettamine en conditions de symbiose ou de maladie, et le suivi de l'expression du groupe de gènes dans l'organisme natif. La gousiekte, littéralement « maladie rapide » en afrikaans, est l'une des intoxications végétales les plus importantes affectant le bétail en Afrique australe (1). La gousiekte est une affection significative et souvent mortelle chez les ruminants, y compris les bovins, les ovins et les caprins, qui survient 4 à 8 semaines après l'ingestion de plantes toxiques. Certains animaux peuvent présenter des signes extérieurs d'insuffisance cardiaque congestive, mais la caractéristique principale de la maladie est la mort subite par arrêt cardiaque (2). Celle-ci est parfois déclenchée par un effort physique, sans signes préalables de maladie. Les plantes responsables de l'intoxication par la gousiekte incluent plusieurs espèces de Rubiaceae telles que Fadogia homblei, Pavetta harborii, Pavetta schumanniana, Vangueria pygmaea (syn. Pachystigma pygmaeum), Vangueria latifolia (syn. Pachystigma latifolium), et Vangueria thamnus (syn. Pachystigma thamnus), bien que d'autres espèces puissent également être impliquées. Ces plantes se trouvent dans les parties nord-est et centrales de l'Afrique du Sud et peuvent être broutées lorsqu'elles poussent avant l'apparition de l'herbe nouvelle, ou en fin d'été lorsque l'herbe devient sèche (3).
La structure de la toxine a été résolue en 2010 et s'est avérée être une polyamine hydroxylée appelée pavettamine (4). La pavettamine purifiée à partir de sources végétales induit les symptômes de la gousiekte dans des modèles animaux. Peu d'exemples de polyamines hydroxylées naturellement sont connus. Pourtant ces molécules présentent un intérêt biotechnologique important, car les enzymes qui participent à ces réactions peuvent conférer de nouvelles fonctionnalités aux squelettes structuraux des polyamines. Cependant, les enzymes responsables de la synthèse de la pavettamine sont encore inconnues.
En plus de leur association avec la gousiekte, V. latifolia, V. macrocalyx, V. pygmaea et V. thamnus présentent également des colonies importantes de bactéries endophytes héréditaires et obligatoires dans leurs feuilles (5). Ces bactéries endophytes appartiennent aux genres Paraburkholderia et Caballeronia, qui comprennent des espèces environnementales et symbiotiques de plantes ou d'insectes. Les travaux menés dans l'équipe d'accueil ont permis d'identifier l'opéron pavABC, conservé dans tous les génomes bactériens des espèces symbiotiques de Fadogia, Vangueria et Psychotria contenant de la pavettamine. Nous avons pu démontrer la synthèse de pavettamine par des cultures de Paraburkholderia symbiotiques isolées à partir de plantes sud-africaines, mais les détails de la biosynthèse restent à élucider. Nos données démontrent que : 1- Les Paraburkholderia caledonica endophytes des feuilles sont la source de la pavettamine, et 2- le cluster de 3 gènes, que nous avons nommé pavABC, est responsable de sa synthèse (Moreau S. et al., article soumis). Le rôle écologique et/ou physiologique de la pavettamine reste cependant inconnu.
De manière inattendue, nous avons également détecté des homologues des gènes pavABC dans les génomes de Burkholderia pseudomallei, Burkholderia mallei et Burkholderia humptydooensis. Ces espèces appartiennent au complexe Burkholderia pseudomallei. B. thailandensis, B. humptydooensis et B. oklahomensis sont généralement considérées comme des espèces non pathogènes vivant dans le sol, bien que certains cas cliniques d'infection avec ces espèces aient été signalés. B. pseudomallei et B. mallei, cependant, sont principalement connues pour causer de graves infections animales et humaines. B. mallei est l'agent étiologique de la morve, une maladie grave affectant les chevaux, les mulets et les ânes, avec seulement de rares cas humains (6). B. pseudomallei, en revanche, est une bactérie environnementale vivant dans le sol et un pathogène humain majeur qui provoque la mélioïdose, une maladie potentiellement mortelle contractée par inhalation, inoculation ou ingestion (7). Le taux de mortalité varie de 10% à 40% et est aggravé par la résistance intrinsèque aux antibiotiques de la bactérie. Les manifestations cliniques de la mélioïdose se caractérisent par un large spectre de symptômes : des abcès localisés légers aux septicémies disséminées sévères affectant les poumons, le foie, la rate, la prostate et parfois le coeur. L'atteinte pulmonaire est la plus fréquente, mais les infections cutanées, musculo-squelettiques et génito-urinaires sont également courantes. On trouve B. pseudomallei dans les sols humides et acides, avec des indices de sa présence dans la rhizosphère des graminées en Asie du Sud-Est et dans le nord de l'Australie. Des cas humains et une présence environnementale émergent également en Afrique et en Amérique.
B. pseudomallei utilise un large éventail de facteurs de virulence pour causer une infection, pénétrer dans les cellules et échapper au système immunitaire de l'hôte (8). Cependant, la pavettamine n'a jamais été signalée à ce jour dans les cultures de bactéries du complexe B. pseudomallei, ni dans les échantillons d'animaux malades. L'analyse phylogénétique des séquences PavA, PavB et PavC indique que l'opéron pavABC des Paraburkholderia et Caballeronia symbiotiques foliaires partage un ancêtre commun niché au sein du complexe Burkholderia pseudomallei. Étant donné le rôle de la pavettamine dans la gousiekte, cette polyamine pourrait représenter un facteur de virulence jusqu'à présent méconnu du complexe B. pseudomallei.
Plusieurs études ont en outre montré que l'écologie partagée, plutôt que la proximité phylogénétique ou la géographie, façonne le transfert horizontal de gènes entre espèces distinctes (9). La présence de pavABC dans les espèces symbiotiques foliaires pourrait donc suggérer une écologie commune avec les espèces du groupe B. pseudomallei.
La découverte d'un groupe de gènes responsable de la biosynthèse de la polyamine inhabituelle pavettamine dans une espèce bactérienne génétiquement traçable ouvre la possibilité de répondre à des questions de longue date sur les rôles des polyamines dans les systèmes biologiques et leur biosynthèse. Crucialement, la présence d'homologues de pavABC dans le complexe Burkholderia pseudomallei suggère des liens fonctionnels et éco-évolutifs possibles entre les endophytes et les pathogènes humains/animaux. Ce projet de thèse a pour objectif de caractériser la voie de biosynthèse de la pavettamine et d'en évaluer la fonction dans les interactions hôte/bactéries symbiotiques et pathogènes.
Ce projet de thèse vise à étudier la biosynthèse et les rôles de la pavettamine, une toxine impliquée dans la maladie du bétail appelée gousiekte en Afrique du Sud. Les objectifs principaux sont :
- Comprendre la biosynthèse de la pavettamine : Identifier les réactions biochimiques et les gènes responsables de sa production chez les bactéries endophytes.
- Étudier son rôle dans les plantes : Déterminer si la pavettamine contribue à la protection des plantes contre les stress biotiques/abiotiques ou favorise la survie des bactéries endophytes.
- Explorer son lien avec les pathogènes humains ou animaux : Analyser si des bactéries du complexe Burkholderia pseudomallei (responsables de maladies comme la mélioïdose) produisent aussi cette toxine et son éventuel rôle écologique dans ces espèces.
Partie 1 - Schéma de biosynthèse de pavettamine et mise en place d'un système d'expression hétérologue.
L'opéron pavABC sera cloné à l'aide de méthodes de synthèse de gènes et assemblé grâce aux techniques « Golden Gate ». Les gènes de synthèse seront exprimés dans E. coli ou autre chassis approprié (e.gs Paraburkholderia sp.). Les précurseurs probables de la pavettamine étant la lysine et les polyamines comme la cadaverine, l'expression de pavABC dans des souches auxotrophes pour la lysine ou les polyamines permettra d'identifier les précurseurs et intermédiaires grâce à des méthodes de « feeding » de précurseurs marqués et de spectrométrie de masse.Partie 2. Rôle de la pavettamine pour la fitness des bactéries.
L'expression des gènes pavABC et autres gènes nécessaires à la biosynthèse identifiés en partie 1 sera mesurée par RT-qPCR ou RNA-seq chez les bactéries P. caledonica en conditions de culture et in planta. Nous comparerons également la fitness et la compétitivité de bactéries exprimant les gènes pavABC par rapport à des souches mutantes lors de la symbiose foliaire par des expériences de co-inoculation et de phénotypage des plantes. A travers nos collaborations, nous aurons également accès à des jeux de données RNA-seq de bactéries du complexe B. pseudomallei en conditions de culture et d'infection. Nous analyserons des échantillons cliniques par HPLC-MS pour la présence de la toxine.

Partie 3. Potentiel endophyte des bactéries du complexe B. pseudomallei.
Le transfert horizontal récent des gènes pavABC à partir de B. pseudomallei vers des Paraburkholderia endophytes obligatoires suggère la présence d'une niche commune. Nous mesurerons ici la capacité de bactéries non pathogènes du groupe B. pseudomallei (e.g. B. humptydooensis ou B. thailiandensis) à établir un mode de vie endophyte. Les bactéries seront taggées (GFP/GUS) et l'infection/croissance mesurée après inoculation ou infiltration de plantes. Le choix des espèces de plantes à tester sera guidé par les résultats d'un projet complémentaire en collaboration mené par l'ANSES visant détecter les bactéries du complexe B. pseudomallei dans des échantillons de plantes provenant de lieux où la mélioïdose est endémique.

Le ou la candidat·e idéale est titulaire (ou sur le point de le devenir) d'un diplôme de master dans les domaines de la microbiologie ou de la biologie des interactions. Il ou elle possède des compétences de base en microbiologie, biochimie et/ou analyse de données omiques (métabolomique, transcriptomique).