Interactions trophiques Hémiptères – plantes-hôtes : Etude des stratégies de contournement des défenses végétales induites : Trophic interactions between hemipterans and host plants: Feeding strategies to counteract induced plant defenses

Along this thesis, we investigate phytophagous insects of the piercing-sucking guild, belonging to the Hemiptera Order. In the state of the art, we identify two key-elements of their strategies to counteract plant defenses, at the plant-insect interface: feeding behavior and salivary proteins. In such context, we notice several gaps in the knowledge of Pentatomidae, and more largely of Heteroptera: variable feeding behavior, lack of studies on salivary compounds and unclear plant-insect interactions. Moreover, many studies pointed out the influence of microbial agents on plant-insect interactions, which complexify greatly the conclusions. The aim is to enlighten the roles of feeding behavior and salivary proteins in the counteraction of induced plant defenses, taking into account four trophic levels: the rhizobacteria Bacillus velezensis FZB42 as an inducer of plant defense priming, the plant Vicia faba L., the Hemipteran insects, the brown marmorated stink bug (BMSB) Halyomorpha halys (Stål) and the pea aphid Acyrthosiphon pisum (Harris), and the endosymbiont Hamiltonella defensa.As preliminaries, we detail the feeding behavior of the stink bug H. halys by electropenetrography (EPG), providing a first EPG waveforms library for this invasive pest. We also set up a protocol to extract its salivary proteins, preceding a sensitive analysis of salivary proteome by mass spectrometry. We then applied these methods to evaluate the perturbation of feeding behavior and salivary proteins following the exposure to insect-induced plant defenses. First, the feeding behavior is perturbed when insects feed on these elicited plants. Second, proteomics on stink bug’s saliva highlight an up-regulation of proteins potentially involved in plant-insect interactions, including the detoxification of plant defense metabolites, following a short exposure to elicited plants.In the next chapter, we focus on BMSB salivary proteome, as a key-strategy to counteract plant defenses. We aim to identify the qualitative and quantitative changes in salivary proteins of insects exposed to the priming of plant defenses provoked by a third agent, the rhizobacterium B. velezensis FZB42. And indeed, BMSB saliva includes, once more, up-regulated proteins potentially involved in plant defense deactivation, following a short exposure to inoculated plants. In the last experimental chapter, we work on two genotypes of the pea aphid A. pisum, differing by the presence of the symbiont H. defensa. We analyse the defense pathways induced by B. velezensis FZB42 and we quantify the development and the feeding behavior of aphids exposed to the defenses. As a matter of fact, bacteria associated with the aphid add a greater complexity to the interpretation of observed phenomena. Such quadripartite interactions deserve more studies in order to better understand the actual role played by endosymbionts and/or the genotype in the counteraction of induced plant defenses.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux insectes piqueurs-suceurs phytophages, appartenant à l’ordre des Hémiptères. Au cours de l’état de l’art, nous avons identifié deux éléments-clefs des stratégies de contournement des défenses induites de la plante, à l’interface plante-insecte : le comportement alimentaire et les protéines salivaires. Dans ce cadre, nous avons relevé différentes lacunes dans les connaissances sur les Pentatomidae, et plus largement sur les Hétéroptères : comportement alimentaire variable, composés salivaires peu étudiés et interactions avec les plantes-hôtes nébuleuses. De plus, de nombreuses études ont pointé l’influence des agents microbiens sur les interactions plante-insecte, complexifiant généralement les conclusions. L’objectif de cette thèse est donc d’éclaircir l’implication du comportement alimentaire et des protéines salivaires de l’insecte dans le contournement des défenses induites des plantes, en prenant en compte quatre niveaux trophiques : la rhizobactérie Bacillus velezensis FZB42 en tant qu’inductrice de l’état de « priming », la plante Vicia faba L., les insectes Hémiptères, Halyomorpha halys (Stål) et Acyrthosiphon pisum (Harris), et une bactérie endosymbiotique de ce dernier, Hamiltonella defensa.Au préalable, nous décrivons en détails le comportement alimentaire de la punaise H. halys par électropénétrographie (EPG), établissant une première librairie de signaux EPG pour cet insecte invasif. Nous mettons également au point une technique d’extraction des protéines salivaires de l’insecte, précédant une analyse sensible du protéome par spectrométrie de masse. Nous mettons alors en oeuvre ces protocoles afin d’évaluer les perturbations de comportement alimentaire et de protéome salivaire de l’insecte suite à une exposition aux défenses de l’hôte, induites localement par l’insecte lui-même. Premièrement, le comportement alimentaire témoigne d’une perturbation de l’insecte sur ces plantes élicitées. Deuxièmement, l’analyse protéomique de la salive de la punaise met en évidence une sur-expression de protéines potentiellement impliquées dans les interactions plante-insecte, dont la détoxification de métabolites, suite à une courte exposition de l’insecte aux plantes élicitées.Dans le chapitre suivant, nous nous focalisons sur le protéome salivaire de la punaise, en tant que stratégie-clef de contournement des défenses. Nous visons donc à identifier les changements qualitatifs et quantitatifs des protéines salivaires des insectes exposés aux défenses végétales induites par un troisième acteur, la rhizobactérie B. velezensis FZB42. Et en effet, la salive de la punaise contient, une fois de plus, davantage de protéines potentiellement impliquées dans la désactivation des défenses des plantes, suite à une courte exposition aux plantes inoculées. Au sein du dernier chapitre expérimental, nous travaillons sur deux génotypes du puceron A. pisum différant selon la présence du symbiote H. defensa. Les voies de défenses induites par B. velezensis FZB42 sont analysées et le développement et le comportement alimentaire des pucerons exposés à ces défenses sont quantifiés. Nous observons que les micro-organismes associés à l’insecte ajoutent une complexité supplémentaire dans l’interprétation des phénomènes observés. De telles interactions quadripartites méritent donc davantage d’études pour mieux comprendre le rôle exact joué par les symbiotes dans le contournement des défenses végétales induites.