Environmental Pseudomonas rely on an arsenal of weapons to challenge their competitors in highly competitive environments. Although the large-spectrum antimicrobials that they release are effective against many microbial competitors, phylogenetically closely-related strains are naturally immune to these compounds. To compete against these kin strains, pseudomonads deploy narrow-spectrum weapons, such as R-tailocins, that specifically target these competitors. R-tailocins are part of a larger family of phage tail-related structures that include different extracellular contractile injection systems (eCISs) that are released into the environment upon suicidal lysis of the producing cell. This thesis aimed at investigating the role of R-tailocins in the interbacterial competitiveness of environmental Pseudomonas. To address this aim, we used the highly competitive plant root and pest insect colonizer Pseudomonas protegens CHA0 as a model strain. Genome analysis revealed that this strain encodes four distinct viral particles, i.e. two phages and two R-tailocins, that display highly specialized activity spectra. By combining reverse genetics, transcriptional and translational reporters, RNA sequencing (RNA-seq), and chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq), we demonstrated that the production of the R-tailocins is activated by the SOS response of the bacteria upon exposure to DNA damaging agents and is tightly controlled by the involvement of multiple regulators. These include the locus-specific LexA-like regulator PrtR1, which inhibits the expression of the R-tailocin gene cluster by binding directly to its promoter, and the two histone-like nucleoid structuring (H-NS), proteins MvaT and MvaV, which act as master regulators and are indirectly involved in R-tailocin gene regulation. Using time-lapse fluorescence microscopy, we followed the production dynamics of fluorescently labeled R-tailocin particles and visualized the explosive lysis of the producing cell that leads to the projection of R-tailocins over tens of micrometers, puncturing and killing surrounding sensitive cells. Using a transposon sequencing (Tn-seq) approach and interbacterial competition assays, we demonstrated that the R-tailocins of P. protegens CHA0 interact with specific lipopolysaccharide (LPS) O-antigen structures decorating the cell surface of a targeted competitor strain. Finally, we highlighted a sophisticated balance wherein the same LPS receptors that render a strain R-tailocin-sensitive also grant protection against the immune defenses of an insect host. Altogether, the results presented in this thesis shed light on the intricate and complex role of R-tailocins in the interbacterial competitiveness of environmental Pseudomonas.
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Dans des environnements hautement compétitifs, les Pseudomonas environnementaux disposent d'une panoplie d'armes pour défier leurs compétiteurs. Bien que les composés antimicrobiens à large spectre que ces souches produisent soient efficaces contre de nombreux concurrents bactériens, les souches phylogénétiquement proches sont naturellement résistantes contre ces composés. Pour lutter contre ces dernières, les Pseudomonas déploient des armes plus spécifiques, comme les R-tailocines, pouvant cibler leurs compétiteurs. Les R-tailocines font parties d'une famille plus large de structures ressemblant à la queue de certains phages. Cette famille englobe différents systèmes d'injection contractiles extracellulaires (extracellular contractile injection systems, eCIS) libérés dans l'environnement lors de la lyse de la cellule productrice. Cette thèse a pour but d'étudier le rôle des R- tailocines dans la compétitivité interbactérienne des Pseudomonas environnementaux. Pour ce faire, nous avons utilisé comme souche modèle Pseudomonas protegens CHA0, une souche très compétitive colonisatrice de racines de plantes et d'insectes nuisibles. Une analyse génomique a révélé que cette souche possède quatre particules virales distinctes, deux phages et deux R-tailocines, qui présentent des spectres d'activité distincts et très spécialisés. En combinant des approches de génétique, de rapporteurs transcriptionnels et translationnels, de transcriptomique (RNA-seq) et de séquençage par immunoprécipitation de la chromatine (ChIP-seq), nous avons démontré que la production des R- tailocines est activée par la réponse SOS après l'exposition de la bactérie à des agents endommageant l'ADN. Cette production est étroitement régulée par de multiples régulateurs dont (i) le régulateur de type LexA spécifique PrtR1 situé au locus des R-tailocines, qui inhibe l'expression en se liant directement au promoteur du groupe de gènes codant pour les R-tailocines, et (ii) deux protéines histone-like nucleoid structuring (H-NS), MvaT et MvaV, qui agissent comme des régulateurs globaux et qui sont indirectement impliquées dans la régulation des R-tailocines. En utilisant de la microscopie à fluorescence en temps réel, nous avons suivi la dynamique de production des R-tailocines et visualisé la lyse explosive de la cellule productrice qui permet la projection des R-tailocines sur des dizaines de micromètres, tuant les cellules sensibles environnantes. En utilisant une approche de transposon sequencing (Tn-seq) et des essais de compétition interbactérienne, nous avons démontré que les R- tailocines de P. protegens CHA0 interagissent avec des O-antigènes spécifiques des lipopolysaccharides (LPS) décorant la surface cellulaire de la souche sensible. Enfin, nous avons mis en évidence un équilibre complexe dans lequel les mêmes récepteurs LPS qui rendent une souche sensible aux R- tailocines lui confèrent également une protection contre les défenses immunitaires de l’insecte hôte. Les résultats présentés dans cette thèse mettent en lumière le rôle complexe des R-tailocines dans la compétitivité interbactérienne des Pseudomonas environnementaux.
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To meet the ever-growing demands of our global population while mitigating the environmental footprint of agriculture, food production must shift towards more sustainable practices. One promising alternative to the chemical pesticides and fertilizers is the use of beneficial bacteria. Specifically, Pseudomonas bacteria have emerged as potential biocontrol inoculants as they naturally produce compounds that fight plant pathogens and insect pests and promote plant growth. However, one main concern when inoculating a biocontrol agent is its successful establishment in the environment as the inoculant will be exposed to natural predators and competitors. To challenge their opponents, Pseudomonas bacteria produce an arsenal of weapons. Although broad-spectrum antibiotic compounds are effective against many competing microbes, closely related bacteria are armed with similar weapons and display innate resistance. To prevail in this sibling rivalry, Pseudomonas bacteria deploy specialized narrow-spectrum weapons. One such weapon are structures originating from tails of bacterial viruses (bacteriophages) called R-tailocins. R-tailocins are part of a larger family of contractile devices with puncturing activity that are released into the environment following the self- sacrificial lysis and death of the producing bacterium, thereby targeting and killing competing bacteria. This thesis aimed at investigating the role of these R-tailocins in the competition dynamics of plant- beneficial Pseudomonas using the highly competitive plant root and pest insect colonizer Pseudomonas protegens CHA0 as a model strain. We identified that this bacterium encodes in its genome two R-tailocins and two bacteriophages that have highly specialized activity spectra. We demonstrated that R-tailocin production is meticulously regulated through a complex network of control mechanisms. These involve two master regulators indirectly influencing R-tailocin production and a direct negative regulator suppressing it. After an initial environmental stress that causes damage to the DNA of the producing bacterium, this regulatory process is initiated and ultimately results in the explosive release of the R-tailocins that then puncture and kill neighboring susceptible competitors. Further results revealed that the R-tailocins must interact with specific cell surface structures of susceptible bacteria to exert their activity. Finally, we were able to highlight an intriguing trade-off where the same surface structures that make a bacterial strain susceptible to R-tailocins grant protection against the immune system of a pest insect. Altogether, the findings presented in this thesis shed light on the intricate and multifaceted role of R-tailocins in the competitiveness of environmental Pseudomonas against competitors vying for the same microbial niches.
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Pour répondre à la demande croissante de la population mondiale tout en atténuant l'empreinte écologique de l'agriculture, la production alimentaire doit s'orienter vers des pratiques plus durables. Une alternative prometteuse aux pesticides et aux engrais chimiques est l'utilisation de bactéries bénéfiques. Plus précisément, les bactéries Pseudomonas sont de potentiels candidats pour le biocontrôle, car ces bactéries produisent naturellement des composés qui combattent les agents pathogènes des plantes ainsi que des composés qui favorisent la croissance de ces dernières. Cependant, l'une des principales préoccupations lors de l'inoculation d'un agent de biocontrôle est son établissement dans l'environnement, car celui-ci est alors exposé à des prédateurs ainsi qu’aux microbes indigènes. Pour défier leurs adversaires, les Pseudomonas ont accès à tout un répertoire d’armes. Bien que les composés antibiotiques à large spectre qu’elles produisent soient efficaces contre de nombreux compétiteurs bactériens, les bactéries qui leur sont étroitement apparentées sont équipées d'armes similaires et, de ce fait, présentent une résistance innée contre ces composés. Pour combattre ces bactéries « sœurs », les Pseudomonas déploient des armes spécialisées à spectre étroit. L'une de ces armes est une structure apparentée de la queue des virus bactériens (bactériophages), appelée R-tailocine. Les R-tailocines font partie d'une famille plus large de dispositifs contractiles qui ciblent et tuent les compétiteurs. Ces structures sont libérées dans l'environnement après l’explosion de la bactérie productrice. Cette thèse a pour but d'étudier le rôle des R-tailocines dans la dynamique de compétition des Pseudomonas. Pour ce faire, nous avons utilisé comme souche modèle Pseudomonas protegens CHA0, une bactérie très compétitive qui colonise les racines des plantes et les insectes nuisibles. Nous avons identifié que cette bactérie possède dans son génome deux R-tailocines et deux bactériophages qui présentent des spectres d'activité distincts et très spécialisés. Nous avons démontré que la production de R-tailocines est méticuleusement régulée par un réseau complexe de mécanismes de contrôle. Ceux-ci impliquent deux régulateurs globaux qui influencent indirectement la production de R-tailocine et un régulateur négatif direct qui la réprime. Après un stress environnemental qui endommage la bactérie productrice, ce processus de régulation aboutit à la libération explosive des R-tailocines. Après leur relargage, ces structures perforent et tuent les cellules voisines sensibles. De plus, nous avons démontré que les R-tailocines interagissent avec des structures spécifiques de la surface cellulaire des bactéries sensibles pour les tuer. Enfin, nous avons mis en évidence un équilibre sophistiqué où les mêmes structures de surface rendant une souche bactérienne sensible aux R-tailocines lui confèrent une protection contre le système immunitaire d'un insecte nuisible. Les résultats présentés dans cette thèse soulignent le rôle complexe des R-tailocines dans la compétitivité interbactérienne des Pseudomonas environnementaux.