Analyse moléculaire de la réponse immunitaire du lépidoptère Spodoptera frugiperda au complexe nématobactérien entomopathogène Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila

par Louise Huot

Thèse de doctorat en Mécanismes des Interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques

Sous la direction de Bernard Duvic.


  • Résumé

    Les complexes nématobactériens (CNBs) entomopathogènes sont des associations naturelles symbiotiques et mutualistes entre des nématodes et des bactéries parasites d’insectes. Dans le cadre de ces associations, le nématode sert tout d’abord de vecteur à la bactérie, qu’il transporte dans le sol et libère à l’intérieur du corps des insectes. La bactérie augmente quant à elle la virulence du CNB, puis sert de ressource nutritive au nématode dans le cadavre de l’insecte. En raison de l’originalité de ces pathogènes et de leur potentiel en lutte biologique contre les insectes ravageurs de cultures, les modalités de leurs interactions avec les insectes ont fait l’objet de nombreuses études. Ces travaux ont permis d’établir que la capacité d’un CNB à infecter et à tuer un hôte dépend d’une combinaison de facteurs écologiques et comportementaux, ainsi que du dialogue s’établissant entre chaque membre du CNB et le système immunitaire de l’insecte. Les insectes possèdent un système immunitaire élaboré et capable de répondre de façon adaptée à une grande diversité d’agents infectieux. Ce système est basé sur trois composantes principales : des barrières épithéliales, des réponses cellulaires et humorales locales et des réponses humorales systémiques. Bien qu’un grand nombre de stratégies et de facteurs permettant aux nématodes et aux bactéries de contrer ces trois composantes ait été identifié au sein de différents modèles d’interaction CNB-insecte, l’étude du dialogue s’établissant entre chaque partenaire et le système immunitaire des hôtes souffre d’un déficit de connaissance des aspects signalétiques et moléculaires des réponses immunitaires que les insectes opposent à ces infections duales.L’objectif premier de cette thèse était de contribuer au développement de ces connaissances au travers d’une analyse transcriptionnelle détaillée et structurée des réponses immunitaires d’un modèle d’insecte lépidoptère, Spodoptera frugiperda, à l’un des CNBs les plus étudiés, l’association S. carpocapsae-X. nematophila. Dans le contexte scientifique actuel, ce travail était tout d’abord caractérisé par deux nouveautés méthodologiques : l’utilisation d’une approche transcriptomique sur tissus immuno-compétents pour identifier les gènes de l’immunité affectés par l’infection par le CNB, et l’utilisation d’une méthode d’infection par injection de la bactérie et du nématode pour discriminer les réponses immunitaires induites par chaque partenaire. Ce travail a permis d’obtenir une image très résolutive et structurée des réponses immunitaires de l’insecte qui servira de base de travail pour (i) la caractérisation fonctionnelle des interactions des gènes de l’immunité identifiés avec chaque partenaire du CNB et (ii) l’étude détaillée du dialogue moléculaire entre le système immunitaire de S. frugiperda et le CNB. Ce travail a également été marqué par la découverte de deux potentiels nouveaux clusters de gènes immunitaires, les GBHs et les UNKs, qui sont parmi les gènes les plus fortement induits lors de l’interaction tripartite. Nos analyses bioinformatiques et tests d’activité préliminaires suggèrent que les GBHs pourraient avoir été acquis par tranfert horizontal de gènes bactériens et que les UNKs pourraient résulter d’une co-évolution d’insectes de la famille des noctuelles avec des CNBs Steinernema-Xenorhabdus. Cette hypothèse ouvre de nouvelles pistes de recherches pour la compréhension des variations de sensibilité aux CNBs entomopathogènes au sein de la diversité des insectes.

  • Titre traduit

    Molecular analysis of the Spodoptera frugiperda lepidoptera immune response to the entomopathogenic nematobacterial complex Steinernema carpocapsae-Xenorhabdus nematophila


  • Résumé

    Entomopathogenic nematobacterial complexes (NBCs) are natural symbiotic associations between nematodes and bacteria that are pathogenic for insects. In these associations, the bacterial partner uses the nematode as a vector, which transports it in the soil and releases it inside the insect’s body. The bacterium then increases the NBC’s virulence and is used as a food supply by the nematode partner in the insect’s dead body. Due to the originality of these dual pathogens and to their potential for biological control of insect crop pests, studies have been conducted on diverse aspects of their interactions with insects. These works have shown the ability of an NBC to infect and kill an insect depends on a combination of ecological and behavioral factors, as well as on the dialogue between the two partners of the NBC and the insect’s immune system. Insects possess an elaborate immune system which is able the respond by adapted ways to a huge diversity of infectious agents. This system relies on three main components: epithelial barriers, local cellular and humoral responses and systemic humoral responses. A large number of strategies and factors used by NBCs to counteract these three components have already been identified in several NBC-insect interaction models. However, the study of the dialogue between each NBC partner and the hosts’ immune systems is currently suffering from a lack of knowledge of the signaling and molecular aspects of the insects’ immune responses to these dual infections.The first goal of this thesis was to increase this knowledge through a detailed and structured transcriptional analysis of the immune responses of a lepidopteran model, Spodoptera frugiperda, to one of the most studied NBCs, the S. carpocapsae-X. nematophila association. In the current scientific context, this work was mainly characterized by two methodologic novelties: the use of a topologic approach for the transcriptomic analysis of the induced immune responses to the infection by the NBC, and the use of an infection by injection method for the discrimination between the nematode- and the bacterium-induced immune responses. This work allowed the observation of a structured and highly resolutive picture of the induced immune responses, which will be used as a working base for (i) the functional characterization of the interactions of identified immune genes with each partner of the NBC, and (ii) for the detailed analysis of the molecular dialogue between the immune system of S. frugiperda and the NBC. Finally, this work also allowed the identification of two potential new clusters of immune genes, the GBHs and the UNKs, which are among the most overexpressed genes during the tripartite interaction. Our preliminary bioinformatics analyses and activity tests suggest the GBHs could have been acquired by horizontal gene transfer from bacteria and the UNKs could result from a coevolution between noctuids and some Steinernema-Xenorhabdus NBCs. This hypothesis opens new research trails for the understanding of the NBC-sensitivity variations within insect diversity.


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