Metabolic adaptation of plants to metal stress : consequences on rhizospheric bacterial communities and the selection of antibiotic resistant populations

L'objectif de cette thèse est d'évaluer les modifications du métabolisme secondaire des plantes contaminées aux éléments trace métalliques (ETM) et leurs conséquences sur les communautés bactériennes rhizosphériques associées incluant des bactéries présentant des phénotypes de MultiDrug Résistance (MDR). Nous nous sommes focalisés sur deux contextes de sols exposés aux métaux : la phytoremédiation de sites miniers au Vietnam et la reconversion de sols agricoles contaminés par la re-déposition atmosphérique d'activités métallurgiques en France. Nos résultats ont mis en évidence que la contamination par différents types de métaux (dont Cu et Pb principalement) a conduit à une altération de la production des métabolites secondaires des racines, tiges et feuilles de la plante hyperaccumulatrice Pteris vittata et que concernant les racines des tendances similaires dans les changements métaboliques ont pu être observés dans un autre type de contexte de pollution (Zn et Pb plus particulièrement). De même, les profils métaboliques des parties souterraines (racines et rhizomes) de Miscanthus x giganteus ont été modifiés par les concentrations en Pb, Cd et Zn des sols agricoles. Pour les deux plantes examinées des dérivés de l'acide chlorogénique ont été retrouvés en proportions augmentées dans les racines malgré des contextes de nature des sols et de pollutions métalliques très contrastés. Cependant, les dérivés de tanin catéchiques sont spécifiquement trouvés en proportions plus élevées dans les racines de P. vittata sous pression métallique. Ces polyphénols sont connus pour leur capacité à piéger les radicaux libres et leur pouvoir antioxydant et pourraient donc être impliqués dans l'adaptation de ces plantes au stress métallique en contribuant à limiter le stress oxydatif généré par les ETM. Au niveau des parties aériennes, nous n'avons étudié que le changement pour P. vittata et avons mis en évidence une proportion plus élevée de dérivés flavonoïdiques pour les plantes contaminées. Nos résultats de métagénomique nous permettent de conclure également sur un effet des ETM sur la diversité et la richesse spécifique des communautés bactériennes des sols étudiés : une forte contamination en Cu (10 fois la limite autorisée) a diminué la diversité et la richesse bactérienne, alors que pour des niveaux en ETM plus modérés incluant Cu, Pb et Zn, la diversité des communautés bactériennes rhizosphériques semble plus influencée par la plante ou la saison plutôt que par l'effet des ETM. Cet effet sur la composition bactérienne de la rhizosphère de P. vittata se traduit par un enrichissement de certains genres connus comme pathogènes opportunistes de l'homme, notamment Ralstonia, Acinetobacter, Burkholderia et Mycobacterium. En outre, le genre Cupriavidus, connu comme très résistant aux ETM est le seul genre spécifiquement associé à P. vittata qui ait été augmenté au sein de la communauté rhizosphérique pour les deux sites miniers étudiés par rapport aux sols rhizosphériques non pollués. Ce genre pourrait donc être impliqué dans le processus d'adaptation de cette plante au stress métallique. Quant aux communautés rhizosphériques de Miscanthus x giganteus, la sélection de Stenotrophomonas et Pseudomonas dans les sols agricoles contaminés a été observée. Dans le cadre de cette thèse nous avons également mis au point une méthode rapide pour tester l'impact de métabolites végétaux sur des souches pathogènes d'origine clinique et environnementale et également évaluer leur activité inhibitrice de pompes à efflux (IPE) de la famille des RND. Nos données ont ainsi permis de mettre en évidence des activités intéressantes et comparables à celle de l'inhibiteur de pompe à efflux PAßN pour des composés testés qui étaient extraits des racines de Fallopia x bohemica ou des dérivés de ces derniers.The objective of this thesis is to evaluate the modification of plant secondary metabolism production contaminated with metallic trace elements (MTE) and its consequences on the associated rhizospheric bacterial communities including bacteria presenting MultiDrug Resistant (MDR) phenotypes. We have focused on two contexts of metals exposure: the phytoremediation of mining sites in Vietnam and the reconversion of agricultural soils contaminated by the atmospheric re-deposition of metallurgical activities in France. Our results highlighted that contamination by different types of metals (mainly Cu and Pb) has led to an alteration in the production of secondary metabolites in the roots, stems and leaves of the hyper-accumulating Pteris vittata and for roots, a similar trend in the metabolic changes could be observed in another type of pollution context (Zn and Pb more particularly). Similarly, the metabolic profiles of the underground parts (roots and rhizomes) of Miscanthus x giganteus were modified by the concentrations of Pb, Cd and Zn in agricultural soils. For the two plants examined chlorogenic acid derivatives have been found in increased proportions in the roots despite soil type and pollution context were highly contrasted. However, catechic tannin derivatives are specifically found in higher proportions in the roots of P. vittata under metal pressure. These polyphenols are known for their ability to scavenge free radicals and their antioxidant properties and thus could be involved in the adaptation of these plants to metallic stress by helping to limit the oxidative stress generated by MTE. At the level of the aerial parts, we studied only the change for P. vittata and evidenced higher proportions of flavonoid derivatives for contaminated plants. Our metagenomic results allow us to conclude also on the effect of MTE on the diversity and the specific richness of the bacterial communities of the studied soils: a high contamination of Cu (10 times the allowed limit) decreased dramatically bacterial richness and diversity, while for more moderate MTE levels including Cu Pb and Zn, the diversity of rhizosphere bacterial communities was more explained by plant or season effect rather than an effect of MTE. This effect on P.vittata rhizosphere bacterial composition is reflected by an enrichment in genera known as opportunistic human pathogens, including Ralstonia, Acinetobacter, Burkholderia and Mycobacterium. In addition, Cupriavidus, known as a highly resistant genus, is the only P. vittata specifically associated genus found in increased proportions at both mining sites compared to non-contaminated rhizosphere soils. This genus could then be involved in the adaptation process of this plant with metal stress. As for the rhizospheric communities of Miscanthus x giganteus, the selection of Stenotrophomonas and Pseudomonas in agricultural soils contaminated with MTE was observed. As a part of this thesis, we have also developed a rapid method for testing the impact of plant metabolites on pathogenic strains of clinical and environmental origin and their efflux pump inhibition (EPI) activity of RND family. Our data thus showed interesting and notable EPI activities comparable to that of the efflux pump inhibitor PAßN for tested compounds issued from Fallopia x bohemica roots or for their derivatives