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During infection, plant pathogens secrete an arsenal of molecules collectively known as effectors that circumvent plant innate immunity and trigger infection. The phytopathogenic fungus Leptosphaeria maculans is the causal agent of stem canker of oilseed rape. More than 650 putative effector-encoding genes have been identified in its genome, 7 of them corresponding to avirulence genes. Fungal effectors mainly correspond to small secreted proteins (SSP) with no known homologs and no predicted functions. Their biological function is therefore difficult to predict, and very little is known about the mode of action of L. maculans effectors during infection.The objective of my thesis was to elucidate the role of L. maculans effectors during infection through their functional characterization which included: i) the determination of their subcellular localization in Nicotiana benthamiana et Arabidopsis thaliana; ii) a search for their plant targets; and iii) the determination of the cellular processes targeted by those effectors through their stable expression in A. thaliana and by testing their ability to suppress cell-death in N. benthamiana. We investigated four effectors in that study: AvrLm10-1, AvrLm10-2, AvrLm4-7 and AvrLm3.AvrLm10-1 and AvrLm10-2 are both necessary to trigger recognition by the Rlm10 resistance gene. We have identified orthologs for AvrLm10-1 and AvrLm10-2 in Dothideomycetes and Sordariomycetes phytopathogens, and several paralogs in L. maculans which are expressed specifically during oilseed rape infection. AvrLm10-1 and AvrLm10-2 both have a nucleo-cytoplasmic localization. AvrLm10-1 and AvrLm10-2 physically interact, and may also interact with a PR1 (Pathogenesis-related 1) protein and a secreted cysteine-protease. AvrLm4-7 is recognized by two resistance genes, Rlm4 and Rlm7, and suppresses recognition of AvrLm3 by Rlm3. AvrLm4-7 suppresses cell-death triggered by general inducers, PAMP-Triggered Immunity (PTI) and Effector-Triggered Immunity (ETI). AvrLm4-7 has a nucleo-cytoplasmic localization, whether expressed with or without its signal peptide, suggesting an intracellular mode of action. One of the potential plant targets for AvrLm4-7 is a ribosomal protein, just like a Blumeria graminis effector with structural analogy to AvrLm4-7. Transgenic lines of A. thaliana constitutively expressing AvrLm4-7 do not show any morphological phenotypes or any difference in their susceptibility to diverse fungal pathogens. AvrLm3 is an avirulence gene strongly conserved in L. maculans populations. Recognition of AvrLm3 by Rlm3 is suppressed by the presence of AvrLm4-7. AvrLm3 suppresses cell-death triggered by several inducers of PTI and ETI. AvrLm3 is localized in plant apoplasm when expressed with its signal peptide, suggesting an extracellular localization. AvrLm3 potentially interacts with a secreted myrosinase-associated protein implicated in the myrosinase-glucosinolate system, suggesting that AvrLm3 could disturb glucosinolate production, which is a novel mode of action never described for a plant pathogen effector.My thesis allowed us to improve our knowledge on fungal effector function during infection and to propose new strategies for plant diseases management; Pendant l’infection, les agents phytopathogènes sécrètent un arsenal de molécules, appelées effecteurs, éléments clés de la pathogénie qui modulent l’immunité innée de la plante et facilitent l’infection. Leptosphaeria maculans est le champignon responsable de la nécrose du collet du colza. Plus de 650 gènes codant des effecteurs potentiels ont été identifiés dans son génome, dont 7 ont un rôle reconnu dans l’avirulence du champignon. Les effecteurs fongiques correspondent principalement à de petites protéines potentiellement sécrétées (PPS), n’ayant pas d’homologues dans les bases de données et pas de motifs connus. Par conséquent, leur fonction biologique est difficile à prédire, et très peu de choses sont connues sur le mode d’action des effecteurs de L. maculans au cours de l’infection.L’objectif de ma thèse était de caractériser fonctionnellement des effecteurs de L. maculans afin de mieux comprendre leur rôle au cours du processus infectieux. Cette caractérisation fonctionnelle a consisté en : i) la détermination de la localisation subcellulaire de ces effecteurs dans Nicotiana benthamiana et Arabidopsis thaliana ; ii) la recherche de cibles végétales ciblées par ces effecteurs ; et iii) la détermination des processus cellulaires impactés par ces effecteurs par expression stable dans A. thaliana et tests de suppression de mort cellulaire dans N. benthamiana. Quatre effecteurs ont été choisis pour cette étude : AvrLm10-1, AvrLm10-2, AvrLm4-7 et AvrLm3.AvrLm10-1 et AvrLm10-2 sont tous les deux nécessaires pour induire une reconnaissance par le gène de résistance Rlm10. Des orthologues d’AvrLm10-1 et AvrLm10-2 ont été identifiés chez des Dothidéomycètes et des Sordariomycètes phytopathogènes ainsi que plusieurs paralogues exprimés spécifiquement pendant l’infection chez L. maculans. AvrLm10-1 et AvrLm10-2 présentent toutes les deux une localisation nucléo-cytoplasmique. Une interaction physique entre AvrLm10-1 et AvrLm10-2 a été mise en évidence, ainsi qu’une interaction potentielle de ces deux protéines avec une protéine PR1 (Pathogenesis-related 1) et une cystéine-protéase végétale.AvrLm4-7 est reconnu par deux gènes de résistance, Rlm4 et Rlm7, et sa présence empêche la reconnaissance d’AvrLm3 par Rlm3. AvrLm4-7 est capable de supprimer la mort cellulaire provoquée aussi bien par des inducteurs généraux de la mort cellulaire que par des inducteurs de la PAMP-Triggered Immunity (PTI) et de l’Effector-Triggered Immunity (ETI). AvrLm4-7 présente une localisation nucléo-cytoplasmique, qu’il soit exprimé avec ou sans son peptide signal, ce qui suggère un mode d’action intracellulaire. AvrLm4-7 interagit potentiellement avec une protéine ribosomale végétale, de la même manière qu’un effecteur de Blumeria graminis avec lequel il partage des analogies structurales. Cependant, des lignées d’A. thaliana exprimant AvrLm4-7 de façon constitutive ne présentent aucune différence morphologique ou de sensibilité aux maladies comparativement à l’écotype sauvage Col0.AvrLm3 est un gène d’avirulence très conservé dans les populations de L. maculans dont la reconnaissance par le gène de résistance Rlm3 est supprimée en présence d’AvrLm4-7. AvrLm3 est capable de supprimer la mort cellulaire associée à la PTI et à l’ETI. Cet effecteur est localisé dans l’apoplasme des cellules foliaires lorsqu’il est exprimé avec son peptide-signal, suggérant un mode d’action extracellulaire. AvrLm3 interagit potentiellement avec une myrosinase-associated proteine sécrétée impliquée dans le système myrosinase-glucosinolate, suggérant qu’AvrLm3 perturberait la synthèse des glucosinolates, ce qui est un mode d’action inédit pour un effecteur d’agent phytopathogène.Cette thèse a permis de mieux comprendre le mode d’action des effecteurs de L. maculans et de proposer de nouvelles stratégies de contrôle des maladies fongiques.

Leptosphaeria maculans is a Dothideomycete responsible for stem canker on oilseed rape (Brassica napus). Genetic control, encompassing mostly the use of major resistance genes, is the most effective method to control this pathogen. When the first cultivars harboring Rlm7 have been deployed in the early 2000's, all of the European isolates were avirulent towards this resistance gene and AvrLm3 was considered to be absent from the populations. In 2012, Daverdin et al. showed that L. maculans has the ability to rapidly overcome the Rlm7 resistance whenever a strong selection pressure is applied. The phenotyping of isolates sampled by Daverdin et al. also showed that more than 98 % of the isolates virulent towards Rlm7 had become avirulent towards Rlm3. This result led to the hypothesis that the presence of AvrLm4-7 can suppress AvrLm3 recognition by Rlm3 and this was validated by the complementation of an isolate avirulent towards Rlm3 with a functional allele of AvrLm4-7. AvrLm3 is genetically linked to AvrLm4-7, at a distance of 20 cM. However, no candidate gene was identified before the beginning of my PhD. The objective of my PhD project was to identify AvrLm3, in order to better understand the antagonistic relationship between AvrLm3 and AvrLm4-7 phenotypes. The combination of genetic and genomic approaches (genetic mapping, RNA-seq, de novo sequencing of an isolate avirulent towards Rlm3 and BAC clone sequencing) allowed me to identify AvrLm3, whose sequence was absent from the reference genome assembly. AvrLm3 has common characteristics with others genes encoding fungal effector: it codes for a small, cysteine-rich protein, is highly expressed at early infection stages and shows no homology with others fungal genes. Although the mechanism allowing the suppression of AvrLm3 recognition due to the presence of AvrLm4-7 has not been elucidated, several hypotheses were invalidated: the presence of AvrLm4-7 has no impact on AvrLm3 expression and the two avirulence proteins do not interact physically.The sampling of field isolates in 2012 and 2013 showed the currently ongoing breakdown of Rlm7, with ca. 10% of virulent isolates, and the resurgence of the AvrLm3 phenotype in these populations, only 0.5 % of isolates being virulent towards both Rlm3 and Rlm7. A large collection of isolates from worldwide origin was genotyped for AvrLm3. It revealed that all isolates possess AvrLm3, with a high level of allelic diversity. The resurgence of the avirulent phenotype towards Rlm3 following the breakdown the Rlm7, along with the important role of AvrLm3 and AvrLm4-7 in fungal fitness, suggest that the antagonistic relationship between these two avirulence phenotypes could be an opportunity to propose original strategies to increase the durability of Rlm3 and Rlm7, by alternating both resistance genes at the landscape level or using pyramiding strategies. However, we identified novel isoforms of AvrLm4-7 allowing the fungus to escape Rlm7 recognition, while maintaining the suppression of Rlm3 recognition effective. This work allowed to better characterize an unusual gene-for-gene relationship. Indeed, only one other example of antagonism between avirulence phenotypes has been identified to date, in the phytopathogenic fungus Fusarium oxysporum (Houterman et al., 2008). The diversity of mechanisms allowing L. maculans to overcome the Rlm3 resistance illustrates perfectly the complexity of the arms race between plants and pathogens.; Leptosphaeria maculans est l'agent de la nécrose du collet des crucifères, principale maladie fongique du colza (Brassica napus). Lorsque des variétés de colza possédant la résistance Rlm7 ont été commercialisées au début des années 2000, la totalité des souches européennes étaient avirulentes vis-à-vis de ce gène de résistance. A l'inverse, AvrLm3 était considéré comme absent de ces populations. Un précédent projet de thèse réalisé dans l'équipe a montré la rapide capacité d'adaptation de L. maculans à la pression de sélection exercée par Rlm7 (Daverdin et al. 2012) et le phénotypage des populations isolées lors de cette étude avait montré que 98% des souches virulentes vis-à-vis de Rlm7 étaient avirulentes vis-à-vis de Rlm3. L'hypothèse d'un masquage du phénotype avirulent dû à la présence d'AvrLm4-7 a alors été validée par la complémentation d'une souche avirulente vis-à-vis de Rlm3 par AvrLm4-7. Sur ces bases, l'objectif de mon projet de thèse était d'identifier AvrLm3 afin d'analyser l'antagonisme entre les phénotypes AvrLm3 et AvrLm4-7, ainsi que les mécanismes menant au contournement de Rlm3 et Rlm7.Le gène AvrLm3 avait été identifié comme génétiquement lié à AvrLm4-7. Toutefois il n'avait pas été possible d'identifier un gène candidat. Par la combinaison d'approches de génétique et de génomique (clonage positionnel, RNA-seq, séquençage de novo d'une souche avirulente et de clones BAC), j'ai pu identifier AvrLm3, dont la séquence était absente du génome de référence de L. maculans. AvrLm3 est très fortement exprimé lors des phases précoces de l'infection et code pour une petite protéine sécrétée et ne présentant pas d'homologies avec d'autres protéines fongiques. Ce gène a donc les caractéristiques classiques des gènes codant pour des effecteurs, mais présente la particularité d'être le premier gène d'avirulence de L. maculans localisé en région télomérique. Bien que le mécanisme par lequel la présence du gène AvrLm4-7 supprime la reconnaissance d'AvrLm3 dans l'interaction entre B. napus et L. maculans n'ait pas été élucidé au terme de ma thèse, plusieurs hypothèses ont pu être invalidées, notamment l'absence de régulation de l'expression d'AvrLm3 par AvrLm4-7. De plus, une approche double hybride a mis en évidence une absence d'interaction directe entre les deux protéines d'avirulence. L'isolement de souches de L. maculans issues de parcelles expérimentales en 2012 et 2013 a mis en évidence le contournement actuel de la résistance Rlm7, avec environ 10 % de souches virulentes. Le phénotypage de ces collections a confirmé la présence majoritaire d'un allèle avirulent d'AvrLm3 chez celles-ci, moins de 0,5 % des souches isolées étant virulentes à la fois vis-à-vis de Rlm3 et de Rlm7. L'analyse de 592 souches d'origine mondiale a montré qu'AvrLm3 est toujours présent chez L. maculans, sous diverses formes alléliques, suggérant un rôle majeur d'AvrLm3 dans la fitness fongique. La résurgence du phénotype avirulent vis-à-vis de Rlm3 suite au contournement de Rlm7 fait envisager l'opportunité d'exploiter l'interaction entre les deux gènes d'avirulence pour une gestion plus durable des gènes de résistance de B. napus, par l'alternance de cultivars possédant Rlm3 et Rlm7 ou le pyramidage de ces deux gènes dans des variétés de colza. De plus, le rôle démontré d'AvrLm3 et d'AvrLm4-7 dans l'agressivité lors de l'infection suppose un fort coût de fitness lié à la virulence. Toutefois, des mécanismes originaux de compensation permettant au champignon d'échapper à la reconnaissance par Rlm3 et Rlm7 tout en conservant a priori fonctionnelle la fonction effectrice d'AvrLm3 et AvrLm4-7 ont été identifiés. Les résultats obtenus lors de ce travail de thèse ont permis la meilleure caractérisation d'une interaction gène-pour-gène inhabituelle. La diversité des mécanismes moléculaires permettant à L. maculans de contourner la résistance Rlm3 illustre la complexité de la course aux armements entre les plantes et les agents pathogènes.

Ralstonia Solanacearum is a soilborn beta-proteobacterium responsible of bacterial wilt on Solanaceaous crops. This bacterium is considered as one of the most harmful plant disease worldwide. This bacterium possesses the ability to infect more than 250 different species, including crops with major economic importance (tomato, potato, tobacco, eucalyptus…). R. solanacearum is divided into four phylotypes originated from different areas: I (Asian), IIA and IIB (American), III (African), IV (Indonesian). Among these phylotype, phylotype I is currently in demographic expansion, is highly recombinogenic and has a wide hosts range. Thus, altogether, these characteristics demonstrated that this phylotype has a high evolutionary potential (sensu McDonald and Linde, 2002). In order to control this bacterium, genetic plant resistance seems to be the most promising method. This method consists in using cultivars with different source of resistance such as resistance genes and/or resistant QTLs. The AG91-25 (E6), an eggplant cultivar possessing a major resistance gene (ERs1), is capable to control some of phylotype I strains of R. solanacearum. However, in order to optimize the management of this resistance and to avoid its fast breakdown, we need to deeply investigate the durability of this resistant gene. Durability can be estimated by studying the evolutionary potential of our pathogen faced to E6 source of resistance and by understanding the molecular mechanisms underlying the interaction between the host (R gene) and its pathogene (Type III Effector – T3E). In order to study R. solanacearum evolutionary dynamics under selective pressure from E6 resistant cultivar, we set up an experimental evolution trial in the field. This trial consisted of three couples of resistant (E6) and susceptible eggplants (E8) microplots, implanted twice a year during three years, hence consisting of 5 cycles. A Multi-Locus VNTR Analysis (MLVA) scheme, consisting of 8 minisatellite loci, was developed in order to characterize the strains extracted from these crop cycles. These VNTRs were specific to R. solanacearum phylotype I strains, they were highly polymorphic and discriminatory at different scale: globally, regionally and locally.Our results showed no breakdown of E6 resistance by R. solanacearum populations, which confirms that this resistance is durable. It seemed that this cultivar reduced the soil bacterial population, preventing bacterial population to infest the resistant host. At the same time, 100% of the E8 plants have died, starting at cycle 2. Bacterial wilt seemed to spread with a “plant-to-plant” dynamics within each microplot. Genetic diversity reduction was also observed during the successive cycle of susceptible eggplant, associated with the increase of frequency of two main haplotypes. However, we failed to identify a clear genetic structuration, neither at the plot scale nor at the microplot scale. Nevertheless, isolation-by-distance data seemed to show that a spatial structure is currently establishing. Altogether, our results suggested that our plot populations appeared to have a clonal epidemic structure.We also looked into 10 T3Es' involvement in the interaction between R. solanacearum and the resistant eggplant (E6). Their distribution was completely different within a collection of phylogenetically diverse strains (91 strains): ripAJ and ripE1 are the most shared T3Es whereas ripP1 and ripP2 were the less common T3E whithin our collection of strains. Some T3Es showed few (ripAJ) or no length polymorphism at all (ripE1 and ripP2) whereas some other (ripAU) are extremely polymorphic. Nevertheless, the T3E effector repertoire did not seemed to be correlated to a specific phenotype on E6 eggplant. Its recognition by E6 seemed to occur in the hypocotyle region rather than in the mesophyll, highlighting a possible organ-specificity of the interaction between ERs1 and ripAX2., Ralstonia solanacearum, une béta-proteobactérie d'origine tellurique, est l'une des phytobactérioses les plus nuisibles au niveau mondial. Cette bactérie est capable d'infecter plus de 250 espèces différentes dont certaines présentent un intérêt économique majeur (tomate, pomme de terre, tabac). R. solanacearum est divisée en 4 phylotypes distincts présentant des origines géographiques différentes : I (asiatique), IIA et IIB (américain), III (africain), IV (indonésien). Parmi ces phylotypes, le phylotype I est en expansion démographique, hautement recombinogène, réparti mondialement et possède une large gamme d'hôtes. Il possède donc un fort potentiel évolutif (sensu McDonald et Linde, 2002). Afin de contrôler cette bactérie, la lutte génétique reste la méthode la plus prometteuse : elle consiste à déployer des cultivars possédant différents sources de résistance (i.e., des gènes de résistance). La variété d'aubergine AG91-25 (E6) possède un gène majeur de résistance (ERs1) lui permettant de contrôler certaines souches de R. solanacearum de phylotype I. Cependant, la gestion de cette résistance requiert d'étudier au préalable sa durabilité afin d'en éviter le contournement. Cette durabilité peut être estimée en étudiant le potentiel évolutif d'un agent pathogène face à cette source de résistance, ainsi qu'en décryptant les mécanismes moléculaires de l'interaction entre l'hôte (gène R) et le pathogène (effecteur de types trois). Afin d'étudier la dynamique évolutive de R. solanacearum sous une pression de sélection exercée par la variété résistante E6, nous avons mis en place un essai d'évolution expérimentale au champ. Cet essai est composé de trois couples de microparcelles d'aubergines résistantes E6 et d'aubergines sensibles E8, implantées deux fois par an, pendant trois ans (soit 5 cycles). Un schéma MLVA (« Multi-Locus VNTR Analysis ») composé de 8 loci minisatellites a été développé afin de caractériser les souches extraites de ces cycles de cultures. Ces VNTR sont spécifiques aux souches de R. solanacearum de phylotype I, hautement polymorphes et discriminants à toutes les échelles : mondiale, régionale et locale. Nos résultats démontrent une absence de contournement de la résistance d'E6 par les populations parcellaires de R. solanacearum, confirmant le caractère durable de cette résistance. Cette variété aurait fortement réduit les populations bactériennes du sol, ne leur permettant plus d'infecter l'hôte résistant. Parallèlement, 100% des plants d'E8 sont morts à partir du cycle 2. La maladie au sein des microparcelles semble progresser selon une dynamique de « plante-à-plante ». Une baisse de la diversité génétique a aussi été observée au cours des cycles de culture répétés d'E8, associée à l'augmentation en fréquence de deux haplotypes. Cependant, aucune structuration génétique claire n'a été observée à l'échelle de la parcelle entière ou de la microparcelle. En revanche, les données d'isolement par la distance semblent indiquer qu'une structure spatiale semble être en cours d'établissement. L'ensemble de nos résultats suggère une structure épidémique clonale de nos populations parcellaires. Nous nous sommes aussi intéressés à l'implication de 10 ET3 dans l'interaction R. solanacearum vs aubergine résistante (E6). La distribution des 10 ET3 candidats est variable au sein d'une collection de souches phylogénétiquement diverses (91 souches) : ripAJ et ripE1 sont les ET3 les plus partagés alors que ripP1 et ripP2 sont les moins fréquemment. Certains ET3 présentent peu (ripAJ) voire pas (ripE1 et ripP2) de polymorphisme de taille, alors que d'autres (ripAU) sont extrêmement polymorphes. Cependant la composition en effecteurs d'une souche ne semble pas être corrélée à un phénotype sur aubergine E6. Nous avons identifié le gène d'effecteur ripAX2 comme ayant une fonction d'avirulence sur aubergine résistante E6. Sa reconnaissance par E6 semble s'opérer au niveau de la zone hypocotylaire.

National audience

Leptosphaeria maculans is a filamentous ascomycete causing stem canker of oilseed rape (Brassica napus). This disease is often controlled by the use of B. napus cultivars harbouring major resistance genes (Rlm). Direct or indirect recognition of the corresponding avirulence protein (AvrLm) in the pathogen triggers plant defence reactions. Several resistances have been massively deployed in France and worldwide, they initially showed commercial success due to the protection provided and in a second time, a very fast decrease of efficiency (resistance breakdown).Prior to this thesis, field studies of resistance gene breakdown mechanisms were rare, especially for fungi. The purpose of this PhD thesis was to study the molecular evolution of the avirulence gene AvrLm4-7 under selection pressure, by exploiting our knowledge of the gene, and the recent release of Rlm7 cultivars, to obtain an early and detailed study of the molecular mechanisms involved in a resistance gene breakdown. AvrLm4-7 induces resistance responses in plant harbouring either Rlm4 or Rlm7 and I validated by targeted point mutagenesis the central role of the amino acid 120 in the avrLm4-7-Rlm4 interaction. Its mutation prevents AvrLm4-7 recognition by Rlm4 without affecting avrLm4-7-Rlm7 recognition.Loss of avirulence towards Rlm7 was then studied by the analysis of an important isolate collection originating from two independent French experimental fields (Grignon; Versailles) over three years. In the first field was cropped Rlm7 cultivars in monoculture with low tillage agronomical practices whereas crop rotation and ploughing were done in the second field. In contrast to AvrLm4-Rlm4 evolution, a great number of mutations were found to explain the “gain” of virulence towards Rlm7. Seven mutational event categories were found. The great majority of these categories involve AvrLm4-7 deletion but mutation due to RIP and several other mutational events causing premature apparition of stop codons in the coding sequence of the gene were observed too. The majority of these events are linked to the sexual reproduction of the fungus and occurs in the experimental field.In addition, our work showed the importance of the cultural practices in preserving Rlm7 efficacy. Indeed, after three years using Rlm7 cultivars, a7 frequency was below 1% whereas representing around 30% of the isolates observed in Grignon.Finally, phenotyping of the isolate collection also showed the resurgence of an A3 phenotype linked with the loss of AvrLm7 avirulence in more than 98% of the isolates. Genetic analysis and collection phenotyping showed that AvrLm3 is not a new AvrLm4-7 allele but a distinct gene located in a telomeric region at 19.3 cM of AvrLm4-7. I also demonstrated that an antagonistic interaction between AvrLm4-7 and AvrLm3 exists: the presence of Avrlm4-7 prevents Rlm3 to detect AvrLm3 and explains the surge of the AvrLm3 avirulence along with the loss of the AvrLm7 avirulence.By an original association of molecular biology, population genetic and agronomy, this work provided a new illustration of the plant-pathogen arms race, AvrLm3 and AvrLm4-7 using two different strategies to escape their respective resistance genes.; Leptosphaeria maculans, agent de la nécrose du collet des crucifères, est un agent pathogène majeur du colza (Brassica napus). La lutte génétique est aujourd’hui le procédé le plus utilisé afin de protéger les cultures des attaques de ce champignon. Cette méthode se base principalement sur l’utilisation de cultivars possédant des gènes de résistance spécifique (Rlm) qui permettent le déclenchement des réactions de défense de la plante parla reconnaissance directe ou indirecte des produits des gènes d’avirulence correspondants (AvrLm) présents dans la population pathogène. Plusieurs de ces résistances ont déjà été massivement déployées en France et dans le monde, connaissant dans un premier temps un fort succès commercial grâce à la protection fournie, suivie d’une perte d’efficacité très rapide. Avant cette thèse, le nombre d’études au champ des processus impliqués dans le contournement d’un gène de résistance était très limité, en particulier chez les champignons. L’objectif de cette thèse était d'étudier l’évolution moléculaire du gène d’avirulence AvrLm4-7sous pression de sélection, en profitant de son clonage et de la commercialisation récente de cultivars Rlm7, afin d’obtenir une étude précoce et détaillée des mécanismes moléculaires à l’origine du contournement d’une résistance spécifique. Le gène AvrLm4-7 présente l’originalité de coder pour une protéine responsable d’une double spécificité d’interaction vis-à-vis des gènes Rlm4 et Rlm7. Dans un premier temps, j’ai pu valider par mutagenèse dirigée le rôle primordial de l’acide aminé 120 dont la mutation affecte la reconnaissance d’AvrLm4 par Rlm4 sans toutefois altérer la reconnaissance d’AvrLm7 par Rlm7.Le contournement de la résistance Rlm7 a été ensuite analysé à l’aide d’une importante collection de souches prélevée sur deux sites expérimentaux indépendants (Grignon ; Versailles) sur une période de trois ans. Sur le premier site était cultivée une variété Rlm7 en monoculture avec un travail du sol simplifié tandis que sur le second site, le mode de culture incluait rotation culturale et enfouissement par labour des résidus de cultures. Il a ensuite été montré que, au contraire de la reconnaissance AvrLm4/Rlm4, un grand nombre d’évènements de mutation peuvent être à l’origine de la virulence d’une souche vis-à-vis de Rlm7. L’analyse moléculaire des souches virulentes et avirulentes de cette collection a ainsi permis de répertorier sept catégories d’évènements de mutation. La grande majorité des cas concerne la délétion d’AvrLm4-7 mais des mutations dues au RIP et plusieurs autres évènements de mutation provoquant l’introduction prématurée de codons stop dans la séquence codante du gène sont aussi observés. La majorité de ces évènements de mutation sont liés à la reproduction sexuée du champignon et ont lieu au sein même de la parcelle d’étude. Le phénotypage de cette collection a par ailleurs révélé un fort contraste entre les deux sites expérimentaux, démontrant ainsi l’importance des pratiques culturales dans le maintien de l’efficacité de la résistance Rlm7 dans le temps. En effet, après trois années de culture de cultivars Rlm7, la fréquence des souches virulentes a7 dans les populations du site de Versailles reste inférieure à 1 % contre environ 30 % sur le site de Grignon. Finalement, le phénotypage de la collection de souches a également montré que le contournement de Rlm7 s’accompagnait dans plus de 98% des souches de la résurgence de l’avirulence AvrLm3. Par l’étude de cette collection et par croisements génétiques, j’ai pu montrer que AvrLm3 n’était pas un nouvel allèle d’avrLm4-7 mais un second gène situé en région télomérique à 19.3 cM d’AvrLm4-7. J’ai également démontré une interaction fonctionnelle antagoniste entre AvrLm4-7 et AvrLm3 qui empêche la reconnaissance Rlm3 /AvrLm3 en présence d’AvrLm4-7 et explique la restauration de l’avirulence AvrLm3 lors de la perte de l’avirulence AvrLm7.Par une association originale de biologie moléculaire, de génétique des populations et d’agronomie, j’ai ainsi pu apporter une nouvelle illustration à la course aux armements entre un agent pathogène et sa plante hôte, les gènes AvrLm3 et AvrLm4-7 utilisant deux stratégies distinctes afin d’échapper à la reconnaissance de leurs gènes de résistance spécifiques.

Diplôme : Dr. d'Université; Leptosphaeria maculans, agent de la nécrose du collet des crucifères, est un agent pathogène majeur du colza (Brassica napus). La lutte génétique est aujourd’hui le procédé le plus utilisé afin de protéger les cultures des attaques de ce champignon. Cette méthode se base principalement sur l’utilisation de cultivars possédant des gènes de résistance spécifique (Rlm) qui permettent le déclenchement des réactions de défense de la plante par la reconnaissance directe ou indirecte des produits des gènes d’avirulence correspondants(AvrLm) présents dans la population pathogène. Plusieurs de ces résistances ont déjà été massivement déployées en France et dans le monde, connaissant dans un premier temps un fort succès commercial grâce à la protection fournie, suivie d’une perte d’efficacité très rapide. Avant cette thèse, le nombre d’études au champ des processus impliqués dans le contournement d’un gène de résistance était très limité, en particulier chez les champignons. L’objectif de cette thèse était d'étudier l’évolution moléculaire du gène d’avirulence AvrLm4-7 sous pression de sélection, en profitant de son clonage et de la commercialisation récente de cultivars Rlm7, afin d’obtenir une étude précoce et détaillée des mécanismes moléculaires à l’origine du contournement d’une résistance spécifique. Le gène AvrLm4-7 présente l’originalité de coder pour une protéine responsable d’une double spécificité d’interaction vis-à-vis des gènes Rlm4 et Rlm7. Dans un premier temps, j’ai pu valider par mutagenèse dirigée le rôle primordial de l’acide aminé 120 dont la mutation affecte la reconnaissance d’AvrLm4 par Rlm4 sans toutefois altérer la reconnaissance d’AvrLm7 par Rlm7. Le contournement de la résistance Rlm7 a été ensuite analysé à l’aide d’une importante collection de souches prélevée sur deux sites expérimentaux indépendants (Grignon ; Versailles) sur une période de trois ans. Sur le premier site était cultivé une variété Rlm7 en monoculture avec un travail du sol simplifié tandis que sur le second site, le mode de culture incluait rotation culturale et enfouissement par labour des résidus de cultures. Il a ensuite été montré que, au contraire de la reconnaissance AvrLm4/Rlm4, un grand nombre d’évènements de mutation peuvent être à l’origine de la virulence d’une souche vis-à-vis de Rlm7. L’analyse moléculaire des souches virulentes et avirulentes de cette collection a ainsi permis de répertorier sept catégories d’évènements de mutation. La grande majorité des cas concerne la délétion d’AvrLm4-7 mais des mutations dues au RIP et plusieurs autres évènements de mutation provoquant l’introduction prématurée de codons stop dans la séquence codante du gène sont aussi observés. La majorité de ces évènements de mutation sont liés à la reproduction sexuée du champignon et ont lieu au sein même de la parcelle d’étude. Le phénotypage de cette collection a par ailleurs révélé un fort contraste entre les deux sites expérimentaux, démontrant ainsi l’importance des pratiques culturales dans le maintien de l’efficacité de la résistance Rlm7 dans le temps. En effet, après trois années de culture de cultivars Rlm7, la fréquence des souches virulentes a7 dans les populations du site de Versailles reste inférieure à 1 % contre environ 30 % sur le site de Grignon. Finalement, le phénotypage de la collection de souches a également montré que le contournement de Rlm7 s’accompagnait dans plus de 98% des souches de la résurgence de l’avirulence AvrLm3. Par l’étude de cette collection et par croisements génétiques, j’ai pu montrer que AvrLm3 n’était pas un nouvel allèle d’avrLm4-7 mais un second gène situé en région télomérique à 19.3 cM d’AvrLm4-7. J’ai également démontré une interaction fonctionnelle antagoniste entre AvrLm4-7 et AvrLm3 qui empêche la reconnaissance Rlm3 / AvrLm3 en présence d’AvrLm4-7 et explique la restauration de l’avirulence AvrLm3 lors de la perte de l’avirulence AvrLm7. Par une association originale de biologie moléculaire, de génétique des populations et d’agronomie, j’ai ainsi pu apporter une nouvelle illustration à la course aux armements entre un agent pathogène et sa plante hôte, les gènes AvrLm3 et AvrLm4-7 utilisant deux stratégies distinctes afin d’échapper à la reconnaissance de leurs gènes de résistance spécifiques.

4 annexes (3 p.) Mémoire de master 2 Diplôme : Master Professionnel; Le contournement de résistances qualitatives est observé dans de nombreuses interactions entre les plantes et leurs agents pathogènes ce qui démontre l'importance de créer des résistances durables. L'utilisation de résistances quantitatives, gouvernées par des QTL (loci à effet quantitatif), est une possibilité suggérée par certains travaux pour augmenter la durabilité de la résistance d'une variété. A partir de deux pathosystèmes, les interactions piment-Cucumber Mosaic Vitus (CMV) et piment-Potato Virus Y (PVY), l'étude de la capacité de ces virus à contourner les résistances quantitatives des plantes a pu être réalisée. Pour le PVY, au terme de six passages successifs sur des plantes partiellement résistantes, une érosion de la résistance quantitative du piment a été observée. En effet, à 1 'issue de ces passages, les populations virales se multiplient davantage chez la variété partiellement résistante que les populations virales qui n'ont été confrontées qu'à une variété sensible. Pour le CMV, un seul passage des plantes partiellement résistantes permet d'obtenir des variants viraux adaptée à cette résistance quantitative. Un changement d'acide mniné dans la protéine la du virus (mutation E355K) coïncide avec cette évolution.

3 annexes 3 p. Diplôme : Master

National audience

The fight against grapevine pathogens is mainly carried out by pesticides, the continued use of which is harmful to the environment and the health of users and consumers. The main organizations in charge of viticulture set as a priority the research and use of alternatives to chemical control. However, the genetic improvement of the vine is prohibited in AOC vineyards to preserve the varietal typicity, partly responsible for the quality of the wines. In addition, research undertaken some fifteen years ago reveals that plants have their own immune defenses, which they activate on contact with the microorganisms they recognize via molecules called elicitors. In this context, the objective of this work was both to research and identify active elicitors on grapevine, to characterize the signaling events and the defense reactions activated by these elicitors and finally to verify that the application of elicitors on grapevine could lead to increased resistance to pathogens.We have purified, from the culture filtrates of a strain of Botrytis cinerea with low virulence on grapevine, a protein elicitor which induces a set of defense reactions in cell suspensions of Vitis vinifera cv Gamay: calcium influx, efflux of nitrate, activation of two MAPKs, production of H2O2, activation of defense genes, production of phytoalexins. These results are the first to describe a set of defense reactions in grapevine. They reveal similarities but also differences with the defense mechanisms involved and identified in model plants such as tobacco. Mass spectrometry made it possible to identify this elicitor of Botrytis cinerea; it is the endopolygalacturonase 1 (BcPG1), hitherto considered as a virulence factor. This result is an original contribution to understanding the molecular dialogue between plants and microbes during evolution. Two other elicitors have proven to be effective on grapevine: laminarin, a linear polymer of beta-1,3-glucan extracted from the seaweed Laminaria digitata, and oligogalacturonates (OGs), alpha-1,4 polymers of galacturonic acid in particular produced by hydrolysis of the plant wall by endopolygalacturonases. The qualitative, quantitative and kinetics comparison of events activated by BcPG1 and OG suggested that the eliciting activity of BcPG1 did not come solely from the release of OGs via its enzymatic activity. Desensitization experiments confirmed that BcPG1 and OGs were perceived by grapevine cells as two distinct stimuli. Chemical or physical treatments of the protein made it possible to discriminate between the eliciting and enzymatic activities of BcPG1, thus showing that the eliciting activity of this protein does not come from its enzymatic activity, but probably from structural motifs specific to BcPG1 and recognized by the plant.Different protection tests have been developed to evaluate the protection of grapevine induced by elicitors against two pathogenic agents: Botrytis cinerea (the agent of grey mold) and Plasmopara viticola (the agent of downy mildew). The results show that the development of these pathogens is reduced by more than 50% when grapevine is pre-treated with elicitors. These results are very promising in the perspective of an application in reasoned viticulture., La lutte contre les pathogènes de la vigne s’effectue principalement par des produits phytosanitaires dont l’utilisation continue est néfaste pour l’environnement et la santé des utilisateurs et des consommateurs. Les principaux organismes en charge de la viticulture fixent comme priorité la recherche et l’utilisation de moyens de lutte alternatifs à la lutte chimique. Or, l’amélioration génétique de la vigne est interdite dans les vignobles d’AOC pour préserver la typicité variétale, en partie responsable de la qualité des crus. Par ailleurs, des recherches engagées il y a une quinzaine d’années révèlent que les plantes ont des moyens de défense propres, qu’elles activent au contact des micro-organismes qu’elles reconnaissent via des molécules appelées éliciteurs. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail était à la fois de rechercher et d’identifier des éliciteurs actifs sur la vigne, de caractériser les événements de signalisation et les réactions de défense activés par ces éliciteurs et enfin de vérifier que l’application d’éliciteurs sur la vigne pouvait conduire à une résistance accrue aux pathogènes.Nous avons purifié, à partir des filtrats de culture d’une souche de Botrytis cinerea peu virulente sur la vigne, un éliciteur protéique qui induit un ensemble de réactions de défense dans des suspensions cellulaires de Vitis vinifera cv Gamay : influx de calcium, efflux de nitrate, activation de deux MAPK, production d’H2O2, activation de gènes de défense, production de phytoalexines. Ces résultats sont les premiers à décrire un ensemble de réactions de défense chez la vigne. Ils révèlent des similitudes mais aussi des différences avec les mécanismes de défense mis en jeu et identifiés dans des plantes modèles comme le tabac. La spectrométrie de masse a permis d’identifier cet éliciteur de Botrytis cinerea ; il s’agit de l’endopolygalacturonase 1 (BcPG1), jusque là considérée comme un facteur de virulence. Ce résultat est une contribution originale à la compréhension du dialogue moléculaire entre les plantes et les microbes au cours de l’évolution. Deux autres éliciteurs se sont révélés efficaces sur la vigne : la laminarine, polymère linéaire de beta-1,3-glucane extrait de l’algue Laminaria digitata, et les oligogalacturonates (OG), polymères alpha-1,4 d’acide galacturonique notamment produits par l’hydrolyse de la paroi végétale par les endopolygalacturonases. La comparaison au plan qualitatif, quantitatif et cinétique des événements activés par BcPG1 et les OG laissaient supposer que l’activité élicitrice de BcPG1 ne provenait pas uniquement de la libération d’OG via son activité enzymatique. Des expériences de désensibilisation ont confirmé que BcPG1 et les OG étaient perçus par les cellules de vigne comme deux stimuli distincts. Des traitements chimiques ou physiques de la protéine ont permis de discriminer les activités élicitrice et enzymatique de BcPG1, montrant ainsi que l’activité élicitrice de cette protéine ne provient pas de son activité enzymatique, mais vraisemblablement de motifs structuraux propres à BcPG1 et reconnus par la plante.Différents tests de protection ont été développés pour évaluer la protection de la vigne induite par des éliciteurs vis à vis de deux agents pathogènes : Botrytis cinerea (l’agent de la pourriture grise) et Plasmopara viticola (l’agent du mildiou). Les résultats montrent que le développement de ces pathogènes est réduit de plus de 50% lorsque la vigne est pré-traitée par des éliciteurs. Ces résultats sont très prometteurs dans la perspective d’une application en viticulture raisonnée.

La séséline, une chroménocoumarine est accumulée dans les tissus de CITRUS inoculés par des PHYTOPHTHORA sp. La structure déterminée par spectrométrie de masse, résonance magnétique nucléaire est confirmée par le point de fusion. La toxicité in vitro est plus importante pour une souche de P. PARASITICA avirulente que pour une souche pathogène de P. CITROPHTHORA, cette différence pourrait résulter d'une biodégradation partielle par le parasite. La synthèse de séséline dans les tissus racinaires est stimulée par un traitement au phosétyl d'aluminium, l'application d'éliciteurs fongiques ou d'un complexe acide arachidonique/B cyclodextrines. (Résumé d'auteur)