Plant photodynamic stress : study of molecular and cellular mechanisms in plant and plant cells upon porphyrin treatment

• Main Author: Issawi, Mohammad
• Other Authors: Limoges
• Language: en
• Published: 2018
• Subjects: Porphyrines; Agriculture; Cellules TBY-2; Lycopersicum esculentum; Arabidopsis thaliana; Stress photodynamique des plantes; Photosensibilisateurs; Pophyrins; TBY-2 cells; Plant photodynamic stress; Photosensitizers; 630
• Online Access: http://www.theses.fr/2018LIMO0081/document

Le traitement photodynamique antimicrobien (acronyme anglais APDT) est apparu comme une solution alternative pour lutter contre les microorganismes multi-résistants. Cette méthode basée sur l'utilisation de photosensibilisateurs dont les porphyrines, fonctionne aussi contre les agents pathogènes des plantes ce qui nous a conduit à proposer une approche de type APDT dans le domaine de l’agriculture. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au côté « vert » de la mise en place de cette approche en réalisant une étude approfondie sur des plantules de deux espèces végétales: Arabidopsis thaliana et Lycopersicum esculentum (tomate) et sur une suspension cellulaire de tabac (TBY-2). Des porphyrines anioniques et cationiques hydrosolubles ont été testées. Nous avons montré qu’aucune de ces porphyrines testées à forte concentration (⩾ 80 μM) n’était cytotoxique à l’obscurité sur les plantules ou la suspension. Par contre sous photopériode (16h), les porphyrines cationiques testées à faible concentration (3,5 μM) se sont révélées létales pour les plantules d’Arabidopsis alors qu’elles n’ont fait que ralentir la croissance des plantules de tomate. Etonnamment, les porphyrines anioniques même testées à forte concentration n’ont pas (ou très peu) induit d’altérations de croissance des plantules. Cette situation se trouve inversée dans les cellules TBY-2 qui sont beaucoup plus sensibles aux porphyrines anioniques photoactivées qui induisent leur mort par apoptose. Ce modèle cellulaire nous a permis de comprendre i) les mécanismes d'interaction porphyrines anioniques avec la paroi cellulaire et ii) quels mécanismes étaient mis en place dans les cellules en réponse au stress photodynamique. En conclusion, ces études préliminaires sur le végétal laissent sérieusement entrevoir la possibilité de développer l’APDT en agriculture ciblée aux pathogènes de plantes et sans effet notable sur les plantes d’intérêt agronomique et les microorganismes du sol. === Antimicrobial photodynamic treatment (APDT) has emerged as an alternative modality to strive against multidrug-resistant microorganisms. This method, based on the use of photosensitizers including porphyrins, has also shown substantial efficiency to kill plant pathogens. This led us to propose an APDT approach in the field of agriculture. During this thesis work, we were interested in the "green" side of this approach. Thus, we performed an in-depth study on two plant species: Arabidopsis thaliana and Lycopersicum esculentum (tomato) and on Tobacco Bright Yellow-2 suspension culture (TBY-2 cells) using anionic and cationic water-soluble porphyrins. We have shown that none of these porphyrins tested at high concentration (⩾ 80 μM) was cytotoxic on plantlets or suspension cells under dark conditions. On the other hand, the cationic porphyrins tested at low concentration (3.5 μM) were lethal for Arabidopsis while they only slowed the growth of tomato plantlets under 16 h photoperiod. Surprisingly, the same anionic porphyrins tested at high concentrations did not induce growth alterations of both plantlets. This situation is reversed in TBY-2 cells, which are much more sensitive to photoactivated anionic porphyrins that induce apoptosis-like cell death. TBY-2 cells allowed to understand i) the interactions of anionic porphyrins with the cell wall and ii) the induced cellular and molecular mechanisms in response to photodynamic stress. In conclusion, these preliminary studies on the plants and plant cells suggest the possibility of developing APDT in agriculture. It will be targeted to plant pathogens without any side effects on plants of agronomic interest and soil microorganisms.