Mode d’infection des rouilles

Mode d’infection des rouilles

Généralités sur les relations plantes hôtes-parasites

Le concept de maladie chez les plantes Les végétaux sont l’épine dorsale de la Vie sur Terre : ils participent à la régulation du climat, purifient l’eau, protègent les sols de l’érosion, et représentent une source de nourriture et d’habitats dont dépendent directement la survie de nombreux animaux et l’Humanité en général (http://www.bgci.org/plantconservationday/whyplantsimportant/). A l’instar des êtres humains et des autres animaux, les végétaux sont sujets aux maladies. Une plante est définie comme « malade » lorsque ses fonctions vitales sont perturbées, altérées ou inhibées, soit par un organisme pathogène (cause biotique), soit par des facteurs environnementaux défavorables (cause abiotique) (Agrios, 2005). Les maladies d’origine abiotique sont généralement dues à des troubles d’ordre physiologique provoqués par différents facteurs : physiques (températures, lumière, …), édaphiques (pH, salinité, …) ou chimiques (polluants). Les maladies d’origine biotique sont causées par des organismes vivants, tels que des champignons, des bactéries, des virus, des oomycètes1, des nématodes et des insectes. Les changements visibles induits par l’une ou l’autre de ces causes sont les symptômes de la maladie : jaunissement des feuilles, pourriture des fruits, nécrose de l’écorce (chancre), flétrissement, etc. Le diagnostic permet alors d’associer certains symptômes à des maladies spécifiques afin de mieux contrôler les facteurs responsables de ces symptômes. Le type de cellule et de tissus affecté permet de déterminer la fonction physiologique qui sera perturbée (Figure 1.1). Par exemple, un feuillage infecté comme dans le cas des rouilles, des moisissures et des mosaïques, entrave la photosynthèse ; une infection des fruits ou des fleurs interfère sur la reproduction, une infection au niveau des racines peut empêcher l’absorption de l’eau et des nutriments indispensables à la survie de la plante.

Les formes de parasitisme chez les végétaux

Au cours de l’évolution, les microorganismes phytopathogènes ont développé des modes de vie et des stratégies d’infections élaborées pour accéder aux ressources des plantes. Ces modes de vie peuvent être divisés en deux catégories principales : la biotrophie et la nécrotrophie (Rietz and Parker, 2007). Les pathogènes biotrophes (ou obligatoires) ont mis en place des mécanismes afin de détourner les nutriments de la plante hôte pour leur propre alimentation. L’ hôte est amputé d’une partie de ses ressources et est maintenu en vie jusqu’à ce que les parasites puissent compléter leur cycle de vie (Mendgen and Hahn, 2002). La survie de tels parasites dépend uniquement de l’hôte et ils ne peuvent être cultivés in vitro. Ils concernent des virus, des bactéries (ex : Pseudomonas), des champignons (ex : rouille et oidiums), des oomycètes (ex : Albugo), et des nématodes sédentaires. A l’opposé, les pathogènes nécrotrophes (ou facultatifs) sécrètent des toxines et des enzymes qui vont tuer les cellules hôtes afin d’en extraire les nutriments (Horbach et al., 2011). Ce mode de parasitisme finit irrémédiablement par la mort de l’hôte. Parmi les nécrotrophes se retrouvent des champignons (ex : Botrytis, Pythium), des oomycètes, des bactéries (Erwinia) et des nématodes migrateurs. Entre ces deux extrêmes, une catégorie intermédiaire est celle des hémibiotrophes qui combinent une phase initiale de biotrophe puis une phase nécrotrophe (Horbach et al., 2011). Parmi les pathogènes hémibiotrophes on peut trouver des champignons (Magnaporthe, Colletotrichum) et des oomycètes (Phytophtora).

Champignons phytopathogènes

A ce jour, sur les plus de 100 000 espèces de champignon connues, plus de 10 000 sont des pathogènes de plantes. Comparativement, une cinquantaine d’espèces de champignons phytopathogènes est connue chez l’Homme et approximativement le même nombre est connu chez les animaux (Agrios, 2005). Les champignons sont la principale cause de maladies chez les plantes et sont responsables d’environ 70 % des maladies des plantes cultivées (Alfen, 2001; Oerke, 2006). Ces maladies dites cryptogamiques sont provoquées par les champignons appartenant aux différentes sous-divisions du règne des Eumycètes (ou champignons vrais) : Ascomycètes, Basidiomycètes, Chytridiomycètes, Zygomycètes et des Deutéromycètes (champignons imparfaits). Les champignons phytopathogènes sont capables d’infecter n’importe quel tissu à n’importe quel stade de croissance de la plante, en suivant un cycle biologique complexe qui peut comporter des stades de reproduction sexuée ou asexuée. L’infection des plantes par un champignon phytopathogène se déroule selon une série d’évènements successifs conduisant à son développement et son maintien dans la plante hôte. Ce processus est appelé « cycle de la maladie » et inclut le cycle biologique du pathogène ainsi que les effets de la maladie occasionnés sur la plante hôte. La complexité des cycles de la maladie varie selon les espèces, dans le cas des champignons il comprend toujours des étapes obligatoires (inoculation, adhérence, germination, pénétration, colonisation, croissance et reproduction, dissémination, survie et l’absence d’hôte) (Figure 1.2-B).

Cycle de vie Tous les Pucciniales sont des parasites obligatoires des plantes (ou biotrophes) dont ils obtiennent des nutriments, sur lesquels ils se reproduisent et complètent leurs cycles de vie. Le cycle de vie des Pucciniales est connu pour être l’un des plus complexes du règne des champignons (Cummins and Hiratsuka 2003). Il peut comporter jusqu’à 5 stades de spores différents : téliospores, basidiospores, pycniospores, aeciospores et urédospores (Figure 1.4) avec des variations dans la composition nucléaire de ces spores (Aime, 2006). Le cycle de vie présente deux phases parasitiques : la phase asexuée dicaryotique (aeciospore, urédospore et téliospore) et la phase sexuée monocaryotique (basidiospore et pycniospores). Les rouilles comportant ces 5 stades de spores ont un cycle qualifié de macrocyclique.

D’autres espèces de rouille peuvent compléter leur cycle en se passant de certains types de spores, c’est le cas des rouilles à cycle démicyclique (stade urédospore manquant) ou à cycle microcyclique (stades basidiospore, pycniospore et aeciospores manquant) (Plant Relationships, p.74). Les rouilles sont dites autoïques lorsqu’elles accomplissent la totalité de leur cycle sur le même hôte. Cependant, et selon les espèces, l’intervention d’hôtes alternatifs est obligatoire afin de boucler leur cycle biologique. C’est ainsi qu’une rouille, alternant sur au moins 2 espèces d’hôtes distincts, est qualifiée de dioïque. Les hôtes intervenant dans le cycle d’une rouille dioïque ne sont en général pas des espèces apparentées. Les sores et les spores vont du jaune-orangé au noir. Ces couleurs caractéristiques rappellent celles produites par la corrosion des métaux ferreux, et sont à l’origine de la dénomination de ces maladies (rouilles).

Les défenses préformées ou constitutives

La première ligne de défense des plantes repose sur une résistance préformée dont le rôle est d’empêcher, retarder ou limiter l’invasion par un agent pathogène. Il s’agit en particulier de l’ensemble des barrières physiques de la cellule végétale telle que la cuticule et la paroi cellulaire (Reina-Pinto and Yephremov, 2009) (Figure 1.6). La cuticule est une structure lipidique composée principalement de cutine et de cires, et recouvrant l’ensemble de la surface des feuilles (Serrano et al., 2014). La paroi pectocellulosique forme quant-à-elle un exosquelette autour de la cellule végétale. Elle contient un réseau dense et complexe de lignine, cellulose, hémicellulose et pectines conférant la rigidité aux cellules (Hématy et al., 2009). À ces barrières physiques s’ajoutent parfois des barrières chimiques faisant intervenir des composés ayant des propriétés antimicrobiennes, des métabolites secondaires : terpénoïdes, phénols et alcaloïdes (Bennett and Wallsgrove, 1994). Ces barrières passives préexistantes sont généralement efficaces contre la plupart des agents pathogènes. Cependant, de nombreux pathogènes produisent des enzymes lytiques visant à dégrader les barrières physiques de la plante et d’accèder aux ressources de la cellule. Parmi ces enzymes se trouvent les exo- ou endopolygalacturonases (dégradant la pectine), les endoglucanases (dégradant la cellulose), les cutinases (dégradant la cuticule), les xylanases (dégradant l’hémicellulose), etc. (Deising, 1992; Juge, 2006 ; Zhang et al., 2014).

Table des matières

Remerciements
Résumé
Abstract
Tables des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes et des données supplémentaires
Abbreviations
Préambule
Introduction générale et objectifs de la thèse
Chapitre I : Synthèse bibliographique
1.1. Généralités sur les relations plantes hôtes-parasites
1.1.1. Le concept de maladie chez les plantes
1.1.2. Le triangle d’interaction
1.1.3. Les formes de parasitisme chez les végétaux
1.1.4. Champignons phytopathogènes
1.1.5. Les rouilles
1.1.5.1. Taxonomie
1.1.5.2. Cycle de vie
1.1.5.3. Mode d’infection des rouilles
1.1.5.4. Gamme d’hôtes
1.2. Le système immunitaire des végétaux
1.2.1. Les défenses préformées ou constitutives
1.2.2. Les défenses inductibles
1.2.2.1. Plant Triggered Immunity (PTI) : la résistance basale ou non-spécifique
1.2.2.2. Effector Triggered Susceptibility (ETS) : la désactivation de la résistance basale
1.2.2.3. Effector Triggered Immunity (ETI) : La résistance induite spécifique
1.2.2.4. Transduction du signal : réponse précoce à la détection de pathogènes
1.2.2.5. Les réponses de défense des plantes
Le renforcement des parois cellulaires
La réaction d’hypersensibilité
Les phytoalexines
iii. Les Pathogenesis-Related Proteins
1.3. Gestion des maladies de plantes par la sélection
1.3.1. Historique de la sélection : de la sélection massale à l’utilisation des marqueurs moléculaires
1.3.2. Sélection de caractères de résistance aux pathogènes
La résistance qualitative
La résistance quantitative
1.3.3. Stratégie d’utilisation de la résistance en sélection
1.3.4. La sélection chez les espèces forestières
1.3.5. Le cas des espèces forestières non-modèles
1.4. Le pathosystème Myrtaceae-Austropuccinia psidii : État des connaissances.
1.4.1. Les Myrtaceae
1.4.1.1. Taxonomie et caractéristiques
1.4.1.2. Origine et distribution
1.4.1.3. Importance écologique et économique
1.4.1.4. Ressource génomique
1.4.2. Austropuccinia psidii
1.3.2.1. Taxonomie
1.3.2.2. Distribution
1.3.2.3. Gamme hôte et épidémies
1.3.2.4. Cycle de vie d’A. psidii
1.3.2.5. Description des symptômes
1.3.2.6. Les facteurs épidémiologiques
1.3.2.7. Diversité d’A. psidii
Variabilité physiologique des urédospores en lien avec la pathogénicitéDiversité génétique des populations d’A. psidii
1.3.2.8. Ressource génomique
1.3.2.9. Modèle d’interaction avec Myrtaceae
1.4.3. Gestion de la maladie
1.4.3.1. Détection et identification du pathogène
1.4.3.2. Moyens de lutte chimique
1.4.3.3. Lutte par la sélection de plants résistants à la rouille
Variabilité inter- et intraspécifique de la résistance à la rouille
Gène de résistance
Chapitre II : Etat des lieux de la présence d’Austropuccinia psidii en Nouvelle-Calédonie : distribution, gamme hôtes et diversité génétique.
2.1. Introduction générale du Chapitre
2.2. Article: The impact of Austropuccinia psidii in New Caledonia, a biodiversity hotspot.
2.2.1. Abstract
2.2.2. Introduction
2.2.3. Materials and methods
2.2.3.1. Disease surveys and sampling of A. psidii
2.2.3.2. DNA extraction, PCR and sequencing
2.2.3.3. Microsatellite genotyping
2.2.3.4. Myrtle rust symptoms monitoring trial under natural infection
2.2.4. Results
2.2.4.1. Identity confirmation
2.2.4.2. Geographical distribution of A. psidii in New Caledonia
2.2.4.3. Host range of A. psidii
2.2.4.4. Genotyping of A. psidii populations
2.2.4.5. Progress of disease severity over time on 35 cultivated Myrtaceae species in a field nursery
2.2.5. Discussion
2.2.5.1. Arrival of Austropuccinia psidii in New Caledonia
2.2.5.2. Spread of A. psidii in natural environments
2.2.5.3. Host range expansion
2.2.5.4. Potential consequences for biodiversity
2.2.5.5. Genetic uniformity of A. psidii isolates
2.2.5.6. Variation in disease susceptibility over a range of cultivated Myrtaceae species
2.2.6. Conclusion
2.2.7. References
Chapitre III : Mise en place d’une méthodologie pour la selection de marqueurs de résistance à la rouille chez des espèces de Myrtaceae endémiques à la Nouvelle-Calédonie incluant une appoche RNA-Seq
3.1. Introduction générale et objectifs du Chapitre
3.2. Matériel et Méthodes
3.2.1. Choix des espèces à étudier, localités et protocole d’échantillonnage
3.2.2. Extraction de l’ARN
3.2.3. Construction des banques d’ADNc et séquençage
3.2.4. Analyses bioinformatiques des données RNA-Seq xvii
3.2.4.1. Contrôle qualité des reads bruts
3.2.4.2. L’alignement des reads
3.2.4.3. L’annotation
3.2.4.4. Quantification des transcrits et normalisation
3.2.4.5. Différentiel d’expression
3.2.4.6. SNP calling : du prétraitement des données à la prédiction des SNPs
3.3. Article : A transcriptomic-based approach to identify candidate markers for resistance to myrtle rust (Austropuccinia psidii) in three endemic Myrtaceae species from New Caledonia.
3.3.1. Abstract
3.3.2. Introduction
3.3.3. Material and methods
Plant Material
Total RNA extraction
cDNA library preparation and sequencing
RNA-seq data processing
Raw reads cleaning
Reference- guided method
Aligning to a reference genome from a related species
Calling SNPs using E. grandis reference genome
De novo methods
De novo transcriptome assembly
Aligning to the de novo transcriptomes
Calling SNPs using de novo transcriptome assemblies
Variant filtering
Differential gene expression analysis
Annotation
Data visualization
Datasets release
3.3.4. Results and discussion
3.3.4.1. Raw data summarization and cleaning reads
3.3.4.2. Transcriptome assembly
3.3.4.3. Mapping cleaned reads to E. grandis genome and de novo transcriptome
3.3.4.4. Differentially Expressed Genes
3.3.4.5. SNP Calling results
3.3.4.6. Genome browser
3.3.5. Conclusion and perspectives
3.3.6. Acknowledgements
3.3.7. References
3.3.8. Supplementary data
Chapitre IV : Association entre variation de l’ADN et gènes différentiellement exprimés en réponse à la rouille (A. psidii
4.1. Introduction
4.2. Materiel et methodes
4.2.1. Best Blast Mutual Hits
4.2.2. Choix des SNPs discriminants entre phénotypes résistants et sensibles à la rouille
4.2.3 Compilation des résultats du SNP calling, du différentiel d’expression et du BBMH
4.3. Resultats et discussion
4.3.1. Sélection des SNPs discriminants résistants/sensibles à A. psidii pour chaque espèce.
4.3.2. Compilation des SNPs discriminants et les gènes différentiellementexprimés identifiés via l’alignement effectué à partir du génome de l’E. grandis.
4.3.3. Sélection des SNPs discriminants communs entre les trois espèces
4.3.4. Sélection des gènes différentiellement exprimés communs aux trois espèces via les alignements effectués sur les transcriptomes de novo
4.3.5. Compilation des SNPs discriminants et des gènes différentiellement exprimés à partir des alignements sur transcriptome de novo pour chaque espèce
4.3.6. Illustration d’un SNP discriminant dans un gène différentiellement exprimé du JBrowse S. longifolium.
4.4. Conclusion
Chapitre V : Discussion generale et perspectives
5.1. Conséquences écologiques et économiques de la rouille (A. psidii) en Nouvelle-Calédonie
5.2. Une possible part de génétique dans l’expression des réponses à la rouille mise en évidence par un dispositif d’infection naturelle
5.3. La construction de transcriptomes de novo pour trois espèces de Myrtaceae endémiques à la Nouvelle-Calédonie
5.3. Une nouvelle approche méthodologique pour trouver des gènes candidats
5.4. Des mécanismes de réponse à la rouille spécifiques à chaque espèce
5.5. L’identification de gènes candidats pour deux espèces de Myrtaceae
Bibliographie
Annexes

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