RpoN (sigma54) controls production of antifungal compounds and biocontrol activity in Pseudomonas fluorescens CHA0.

Pseudomonas fluorescens CHA0 is an effective biocontrol agent of root diseases caused by fungal pathogens. The strain produces the antibiotics 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) and pyoluteorin (PLT) that make essential contributions to pathogen suppression. This study focused on the role of the sigma factor RpoN (sigma54) in regulation of antibiotic production and biocontrol activity in P. fluorescens. An rpoN in-frame-deletion mutant of CHAO had a delayed growth, was impaired in the utilization of several carbon and nitrogen sources, and was more sensitive to salt stress. The rpoN mutant was defective for flagella and displayed drastically reduced swimming and swarming motilities. Interestingly, the rpoN mutant showed a severalfold enhanced production of DAPG and expression of the biosynthetic gene phlA compared with the wild type and the mutant complemented with monocopy rpoN+. By contrast, loss of RpoN function resulted in markedly lowered PLT production and plt gene expression, suggesting that RpoN controls the balance of the two antibiotics in strain CHA0. In natural soil microcosms, the rpoN mutant was less effective in protecting cucumber from a root rot caused by Pythium ultimum. Remarkably, the mutant was not significantly impaired in its root colonization capacity, even at early stages of root infection by Pythium spp. Taken together, our results establish RpoN for the first time as a major regulator of biocontrol activity in Pseudomonas fluorescens.

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

Elevation gradient of successful plant traits for colonizing alpine summits under climate change

Upward migration of plant species due to climate change has become evident in several European mountain ranges. It is still, however, unclear whether certain plant traits increase the probability that a species will colonize mountain summits or vanish, and whether these traits differ with elevation. Here, we used data from a repeat survey of the occurrence of plant species on 120 summits, ranging from 2449 to 3418 m asl, in south-eastern Switzerland to identify plant traits that increase the probability of colonization or extinction in the 20th century. Species numbers increased across all plant traits considered. With some traits, however, numbers increased proportionally more. The most successful colonizers seemed to prefer warmer temperatures and well-developed soils. They produced achene fruits and/or seeds with pappus appendages. Conversely, cushion plants and species with capsule fruits were less efficient as colonizers. Observed changes in traits along the elevation gradient mainly corresponded to the natural distribution of traits. Extinctions did not seem to be clearly related to any trait. Our study showed that plant traits varied along both temporal and elevational gradients. While seeds with pappus seemed to be advantageous for colonization, most of the trait changes also mirrored previous gradients of traits along elevation and hence illustrated the general upward migration of plant species. An understanding of the trait characteristics of colonizing species is crucial for predicting future changes in mountain vegetation under climate change.

Perception, signaling and molecular basis of oviposition-mediated plant responses.

Eggs deposited on plants by herbivorous insects represent a threat as they develop into feeding larvae. Plants are not a passive substrate and have evolved sophisticated mechanisms to detect eggs and induce direct and indirect defenses. Recent years have seen exciting development in molecular aspects of egg-induced responses. Some egg-associated elicitors have been identified, and signaling pathways and egg-induced expression profiles are being uncovered. Depending on the mode of oviposition, both the jasmonic acid and salicylic acid pathways seem to play a role in the induction of defense responses. An emerging concept is that eggs are recognized like microbial pathogens and innate immune responses are triggered. In addition, some eggs contain elicitors that induce highly specific defenses in plants. Examples of egg-induced suppression of defense or, on the contrary, egg-induced resistance highlight the complexity of plant-egg interactions in an on-going arms race between herbivores and their hosts. A major challenge is to identify plant receptors for egg-associated elicitors, to assess the specificity of these elicitors and to identify molecular components that underlie various responses to oviposition.

Evolutionary patchwork of an insecticidal toxin shared between plant-associated pseudomonads and the insect pathogens Photorhabdus and Xenorhabdus.

BACKGROUND: Root-colonizing fluorescent pseudomonads are known for their excellent abilities to protect plants against soil-borne fungal pathogens. Some of these bacteria produce an insecticidal toxin (Fit) suggesting that they may exploit insect hosts as a secondary niche. However, the ecological relevance of insect toxicity and the mechanisms driving the evolution of toxin production remain puzzling. RESULTS: Screening a large collection of plant-associated pseudomonads for insecticidal activity and presence of the Fit toxin revealed that Fit is highly indicative of insecticidal activity and predicts that Pseudomonas protegens and P. chlororaphis are exclusive Fit producers. A comparative evolutionary analysis of Fit toxin-producing Pseudomonas including the insect-pathogenic bacteria Photorhabdus and Xenorhadus, which produce the Fit related Mcf toxin, showed that fit genes are part of a dynamic genomic region with substantial presence/absence polymorphism and local variation in GC base composition. The patchy distribution and phylogenetic incongruence of fit genes indicate that the Fit cluster evolved via horizontal transfer, followed by functional integration of vertically transmitted genes, generating a unique Pseudomonas-specific insect toxin cluster. CONCLUSIONS: Our findings suggest that multiple independent evolutionary events led to formation of at least three versions of the Mcf/Fit toxin highlighting the dynamic nature of insect toxin evolution.

Molecular basis and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads

Les bactéries du genre Pseudomonas ont la capacité étonnante de s'adapter à différents habitats et d'y survivre, ce qui leur a permis de conquérir un large éventail de niches écologiques et d'interagir avec différents organismes hôte. Les espèces du groupe Pseudomonas fluorescens peuvent être facilement isolées de la rhizosphère et sont communément connues comme des Pseudomonas bénéfiques pour les plantes. Elles sont capables d'induire la résistance systémique des plantes, d'induire leur croissance et de contrer des phytopathogènes du sol. Un sous-groupe de ces Pseudomonas a de plus développé la capacité d'infecter et de tuer certaines espèces d'insectes. Approfondir les connaissances sur l'interaction de ces bactéries avec les insectes pourraient conduire au développement de nouveaux biopesticides pour la protection des cultures. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre la base moléculaire, l'évolution et la régulation de la pathogénicité des Pseudomonas plante-bénéfiques envers les insectes. Plus spécifiquement, ce travail a été orienté sur l'étude de la production de la toxine insecticide appelée Fit et sur l'indentification d'autres facteurs de virulence participant à la toxicité de la bactérie envers les insectes. Dans la première partie de ce travail, la régulation de la production de la toxine Fit a été évaluée par microscopie à épifluorescence en utilisant des souches rapportrices de Pseudomonas protegens CHA0 qui expriment la toxine insecticide fusionnée à une protéine fluorescente rouge, au site natif du gène de la toxine. Celle-ci a été détectée uniquement dans l'hémolymphe des insectes et pas sur les racines des plantes, ni dans les milieux de laboratoire standards, indiquant une production dépendante de l'hôte. L'activation de la production de la toxine est contrôlée par trois protéines régulatrices dont l'histidine kinase FitF, essentielle pour un contrôle précis de l'expression et possédant un domaine "senseur" similaire à celui de la kinase DctB qui régule l'absorption de carbone chez les Protéobactéries. Il est donc probable que, durant l'évolution de FitF, un réarrangement de ce domaine "senseur" largement répandu ait contribué à une production hôte-spécifique de la toxine. Les résultats de cette étude suggèrent aussi que l'expression de la toxine Fit est plutôt réprimée en présence de composés dérivés des plantes qu'induite par la perception d'un signal d'insecte spécifique. Dans la deuxième partie de ce travail, des souches mutantes ciblant des facteurs de virulence importants identifiés dans des pathogènes connus ont été générées, dans le but d'identifier ceux avec une virulence envers les insectes atténuée. Les résultats ont suggéré que l'antigène O du lipopolysaccharide (LPS) et le système régulateur à deux composantes PhoP/PhoQ contribuent significativement à la virulence de P. protegens CHA0. La base génétique de la biosynthèse de l'antigène O dans les Pseudomonas plante-bénéfiques et avec une activité insecticide a été élucidée et a révélé des différences considérables entre les lignées suite à des pertes de gènes ou des acquisitions de gènes par transfert horizontal durant l'évolution de certaines souches. Les chaînes latérales du LPS ont été montrées comme vitales pour une infection des insectes réussie par la souche CHA0, après ingestion ou injection. Les Pseudomonas plante-bénéfiques, avec une activité insecticide sont naturellement résistants à la polymyxine B, un peptide antimicrobien modèle. La protection contre ce composé antimicrobien particulier dépend de la présence de l'antigène O et de la modification du lipide A, une partie du LPS, avec du 4-aminoarabinose. Comme les peptides antimicrobiens cationiques jouent un rôle important dans le système immunitaire des insectes, l'antigène O pourrait être important chez les Pseudomonas insecticides pour surmonter les mécanismes de défense de l'hôte. Le système PhoP/PhoQ, connu pour contrôler les modifications du lipide A chez plusieurs bactéries pathogènes, a été identifié chez Pseudomonas chlororaphis PCL1391 et P. protegens CHA0. Pour l'instant, il n'y a pas d'évidence que des modifications du lipide A contribuent à la pathogénicité de cette bactérie envers les insectes. Cependant, le senseur-kinase PhoQ est requis pour une virulence optimale de la souche CHA0, ce qui suggère qu'il régule aussi l'expression des facteurs de virulence de cette bactérie. Les découvertes de cette thèse démontrent que certains Pseudomonas associés aux plantes sont de véritables pathogènes d'insectes et donnent quelques indices sur l'évolution de ces microbes pour survivre dans l'insecte-hôte et éventuellement le tuer. Les résultats suggèrent également qu'une recherche plus approfondie est nécessaire pour comprendre comment ces bactéries sont capables de contourner ou surmonter la réponse immunitaire de l'hôte et de briser les barrières physiques pour envahir l'insecte lors d'une infection orale. Pour cela, les futures études ne devraient pas uniquement se concentrer sur le côté bactérien de l'interaction hôte-microbe, mais aussi étudier l'infection du point de vue de l'hôte. Les connaissances gagnées sur la pathogénicité envers les insectes des Pseudomonas plante-bénéfiques donnent un espoir pour une future application en agriculture, pour protéger les plantes, non seulement contre les maladies, mais aussi contre les insectes ravageurs. -- Pseudomonas bacteria have the astonishing ability to survive within and adapt to different habitats, which has allowed them to conquer a wide range of ecological niches and to interact with different host organisms. Species of the Pseudomonas fluorescens group can readily be isolated from plant roots and are commonly known as plant-beneficial pseudomonads. They are capable of promoting plant growth, inducing systemic resistance in the plant host and antagonizing soil-borne phytopathogens. A defined subgroup of these pseudomonads evolved in addition the ability to infect and kill certain insect species. Profound knowledge about the interaction of these particular bacteria with insects could lead to the development of novel biopesticides for crop protection. This thesis thus aimed at a better understanding of the molecular basis, evolution and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads. More specifically, it was outlined to investigate the production of an insecticidal toxin termed Fit and to identify additional factors contributing to the entomopathogenicity of the bacteria. In the first part of this work, the regulation of Fit toxin production was probed by epifluorescence microscopy using reporter strains of Pseudomonas protegens CHAO that express a fusion between the insecticidal toxin and a red fluorescent protein in place of the native toxin gene. The bacterium was found to express its insecticidal toxin only in insect hemolymph but not on plant roots or in common laboratory media. The host-dependent activation of Fit toxin production is controlled by three local regulatory proteins. The histidine kinase of this regulatory system, FitF, is essential for the tight control of toxin expression and shares a sensing domain with DctB, a sensor kinase regulating carbon uptake in Proteobacteria. It is therefore likely that shuffling of a ubiquitous sensor domain during the evolution of FitF contributed to host- specific production of the Fit toxin. Findings of this study additionally suggest that host-specific expression of the Fit toxin is mainly achieved by repression in the presence of plant-derived compounds rather than by induction upon perceiving an insect-specific signal molecule. In the second part of this thesis, mutant strains were generated that lack factors previously shown to be important for virulence in prominent pathogens. A screening for attenuation in insect virulence suggested that lipopolysaccharide (LPS) O-antigen and the PhoP-PhoQ two-component regulatory system significantly contribute to virulence of P. protegens CHAO. The genetic basis of O-antigen biosynthesis in plant-beneficial pseudomonads displaying insect pathogenicity was elucidated and revealed extensive differences between lineages due to reduction and horizontal acquisition of gene clusters during the evolution of several strains. Specific 0 side chains of LPS were found to be vital for strain CHAO to successfully infect insects by ingestion or upon injection. Insecticidal pseudomonads with plant-beneficial properties were observed to be naturally resistant to polymyxin B, a model antimicrobial peptide. Protection against this particular antimicrobial compound was dependent on the presence of O-antigen and modification of the lipid A portion of LPS with 4-aminoarabinose. Since cationic antimicrobial peptides play a major role in the immune system of insects, O-antigenic polysaccharides could be important for insecticidal pseudomonads to overcome host defense mechanisms. The PhoP-PhoQ system, which is well-known to control lipid A modifications in several pathogenic bacteria, was identified in Pseudomonas chlororaphis PCL1391 and P. protegens CHAO. No evidence was found so far that lipid A modifications contribute to insect pathogenicity in this bacterium. However, the sensor kinase PhoQ was required for full virulence of strain CHAO suggesting that it additionally regulates the expression of virulence factors in this bacterium. The findings of this thesis demonstrate that certain plant-associated pseudomonads are true insect pathogens and give some insights into how these microbes evolved to survive within and eventually kill the insect host. Results however also point out that more in-depth research is needed to know how exactly these fascinating bacteria manage to bypass or overcome host immune responses and to breach physical barriers to invade insects upon oral infection. To achieve this, future studies should not only focus on the bacterial side of the microbe-host interactions but also investigate the infection from a host-oriented view. The knowledge gained about the entomopathogenicity of plant-beneficial pseudomonads gives hope for their future application in agriculture to protect plants not only against plant diseases but also against insect pests.

Keeping the balance? Management of oxidative stress, body mass and reproduction under energetic constraints by dispersing and philopatric collared flycatchers.

Dispersal, i.e. individual movement between breeding sites, is a key process for metapopulation dynamics and gene flow. Its success can be modulated by phenotypic differences between dispersing and philopatric individuals, or dispersal syndromes. However, the environmental (external) and physiological (internal) constraints underlying such syndromes remain poorly known. This project aimed at clarifying the impact of environmental variation and oxidative constraints, linked to the reactive oxygen species produced during respiration, on phenotypes associated to dispersal in a passerine bird, the collared flycatcher Ficedula albicollis. Energetic demand was experimentally (i) increased through a wing load manipulation or (ii) relieved through food supplementation. The oxidative balance of breeding flycatchers was influenced by complex interactions of dispersal status and extrinsic factors (breeding density, year, experimental treatments). Interestingly, antioxidant capacity was influenced both by permanent individual differences and by food availability, whereas measures of pro-oxidants were highly variables within individuals. Environmental variation and energetic constraints also modulated the differences in reproduction associated with dispersal: dispersing and philopatric birds differ in their management of the oxidative balance when it is competing with reproductive investment. This thesis highlights that reaction norms, rather than fixed differences, often shape traits associated to dispersal. ----- Le déplacement d'un individu entre sites de reproduction, ou dispersion, est un processus clé pour la dynamique des métapopulations et les flux de gènes. Son succès peut être modulé par des différences de phénotype, ou syndromes de dispersion. Cependant, les contraintes environnementales et physiologiques qui sous-tendent ces syndromes restent mal connues. Ce projet vise à clarifier l'impact des variations environnementales et des contraintes oxydatives (liées aux espèces réactives de l'oxygène produites durant la respiration) sur les phénotypes associés à la dispersion chez un passereau, le gobemouche à collier Ficedula albicollis. La demande énergétique a été expérimentalement (i) augmentée en manipulant la surface alaire ou (ii) diminuée par une supplémentation en nourriture. L'équilibre oxydo-réducteur des gobemouches en reproduction est influencé par des interactions complexes entre statut de dispersion et facteurs extrinsèques (densité de couples reproducteurs, année, traitement expérimental). La capacité antioxydante dépend principalement de différences permanentes entre individus, alors que les pro-oxydants présentent de grandes variations intra-individu. Environnement et contraintes énergétiques modulent aussi les différences de reproduction liées à la dispersion : les oiseaux dispersants et philopatriques diffèrent dans leur gestion de l'équilibre oxydo-réducteur lorsqu'il est en compétition avec l'investissement reproducteur. Ce travail souligne que les traits associés à la dispersion sont souvent déterminés par des normes de réaction à l'environnement et non des différences fixées entre individus.