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Les interactions entre les plantes et les microorganismes peuvent conduire à des maladies dont les plus dommageables sont causées par les champignons filamenteux et des organismes apparentés appelés oomycètes. Nos travaux sont centrés sur la recherche des signaux à l’interface entre les plantes, les champignons et les oomycètes (Aphanomyces) pathogènes. La légumineuse Medicago truncatula a été choisie comme plante modèle pour ces études. L’objectif est de fournir les clés de nouvelles stratégies phytosanitaires.

Nos recherches sont organisées en deux volets complémentaires qui abordent  :

– L’étude de molécules microbiennes appelées effecteurs, dont la fonction contribue au pouvoir pathogène ou à l’élaboration des structures des surfaces des microorganismes, et dont la perception induit des réactions de défense dans les plantes.

– L’identification des déterminants génétiques impliqués dans la perception des parasites et la mise en place des réactions de défense chez la plante hôte.

Thèmes de Recherche

La légumineuse modèle Medicago truncatula est particulièrement adaptée à l’étude des interactions qui se mettent en place au niveau de ses racines avec des microorganismes pathogènes ou symbiotiques. Au cours des dernières années, l’équipe a développé différentes approches et méthodologies, fondées sur l’exploitation des ressources génomiques et génétiques disponibles pour cette plante afin

1- d’étudier le déterminisme génétique de la résistance quantitative à Aphanomyces euteiches, principal parasite du pois en France et en Europe.

2- d’analyser les connections qui peuvent exister entre immunité et symbiose chez les légumineuses.

3- d’identifier des traces génétiques de sélection dans le génome reflétant son adaptation aux interactions racinaires avec les différents types de microorganismes.

  1. D’identifier les mécanismes du pouvoir pathogène d’Aphanomyces euteiches par des approches de génomique comparative et d’analyses moléculaires

Déterminisme génétique et composants moléculaires de la résistance de Medicago truncatula à Aphanomyces euteiches.

L’exploitation de la variabilité naturelle de M. truncatula a montré que la résistance à A. euteiches était quantitative et les premières analyses génétiques utilisant des populations de lignées recombinantes (RILs) ont permis d’identifier un QTL majeur sur le chromosome 3 appelé prAe1. Dans le cadre du projet ANR « Immunit-Ae » (2011-2015), l’analyse de lignées quasi-isogéniques (NILs) a validé le rôle de prAe1, qui permet la protection du cylindre central des racines contre l’invasion du mycélium. Une analyse transcriptomique a également démontré qu’il est responsable de l’activation d’un grand nombre de gènes de défense, en particulier associés à la production de molécules antimicrobiennes. La combinaison du génotypage haut-débit (plusieurs millions de SNP) et du phénotypage après inoculation d’A. euteiches de près de 200 lignées de M. truncatula nous a permis de mettre en place une approche de génétique d’association (Genome Wide Association Study – GWAS) conduisant à la détection d’une trentaine de loci, dont deux majeurs localisés à l’intérieur de prAe1. Les analyses fonctionnelles sont en cours pour valider l’implication des gènes ainsi identifiés.

Connections immunité-symbioses chez Medicago truncatula.

Dans leur milieu, les légumineuses peuvent être hôtes de symbiotes et/ou de parasite, successivement ou simultanément. Les deux types d’interactions donnant des réponses opposées (respectivement acceptation et rejet des microorganismes), plusieurs questions peuvent se poser.

Comment la plante fait-elle pour distinguer « amis ou ennemis » parmi les microbes dont la nature ou les signaux moléculaires émis sont proches ? Y-a-t-il des acteurs moléculaires communs utilisés par la plante en conditions symbiotiques ou pathogènes ? La présence d’un des types de microorganismes dans la plante modifie-t-elle les réponses de celle-ci vis-à-vis de l’autre catégorie de microbe, à la fois sur un plan local mais également de manière systémique?

Pour ces différentes questions, plusieurs résultats ont été obtenus dans l’équipe et/ou sont en cours d’analyse dans le cadre des projets ANR « NICE CROPS » (2015-2018) et « PSYCHE » (2017-2020). Ainsi le phénotypage avec A. euteiches (ou d’autres agents pathogènes) et l’analyse transcriptomique de mutants de symbiose infectés ont permis de montrer que le gène NFP (codant pour un des récepteurs putatifs des facteurs Nod) régule positivement la résistance de la plante. Inversement, le facteur de transcription MtNFY-A1 impliqué notamment dans la régulation du développement des nodosités, ainsi que le récepteur de cytokinines MtCRE1, sont tous deux des régulateurs négatifs de l’immunité. Des analyses GWAS sont en cours pour identifier les gènes de la plante impliqués dans la perception/réponse des différents signaux microbiens de nature chitooligosaccharidique.

Génétique de l’adaptation des plantes aux microorganismes racinaires

L’architecture génétique de la réponse des plantes aux microorganismes racinaires (pathogènes ou symbiotiques) présente une complexité qui peut être associée d’une part à une longue histoire de coévolution et d’autre part à des dynamiques probablement plus récentes liées aux changements environnementaux. Dans le but d’améliorer notre compréhension du déterminisme génétique de l’adaptation des plantes aux microorganismes racinaires,  nous avons mis en place des approches génétiques à haut-débit de « Genome-Wide Association Studies » (GWAS) et de génomique des populations aux travers de « Selection Scans », à l’aide de données massives de polymorphismes SNP disponibles chez Medicago truncatula.

Le nombre et la complexité des acteurs génétiques interagissant chez les plantes pour aboutir à des réponses adaptées dans le contexte des interactions avec les microorganismes nous ont amenés à développer de nouvelles approches de génomique des populations afin d’identifier des réseaux de gènes coadaptés, en exploitant la signature génétique de la sélection sur les interactions entre gènes, à l’aide de données SNP. Suite à la phase de développement théorique actuel dans le cadre du projet ANR “DeCoD” – (2017-2021), ces méthodes pourront ensuite être appliquées à des données SNP à l’échelle du génome chez Medicago truncatula, et potentiellement à d’autres espèces de plantes.

Effecteurs du pouvoir pathogène d’Aphanomyces euteiches

Les plantes interagissent constamment avec des microorganismes potentiellement pathogènes. Cependant les maladies d’origines microbiennes sont rares ce qui est la résultante d’un système de défense efficace mis en place par les plantes. Les études visant à élucider ces mécanismes de défenses ont mis en évidence une co-évolution entre les plantes et leurs pathogènes. Ainsi 2 systèmes de perception de différents type de molécules microbiennes sont caractérisés. Le premier niveau correspond à la reconnaissance de motifs conservés d’origine microbienne (PAMPs : Pathogens Associated Molecular Patterns), ou d’origine végétale provenant de la dégradation de la plante (DAMP : Danger Associated Molecular Patterns). On parle alors de PTI (PAMP Triggered Immunity, Ces motifs moléculaires peuvent être reconnus par des récepteurs spécifiques, les PRRs (Pattern Recognition Receptors), induisant à la mise en place d’une défense dite « basale », et pouvant être associée à la résistance de type non-hôte. Le deuxième niveau de perception est lié à la reconnaissance de molécules microbiennes appelées effecteurs. En effet, les microorganismes les mieux adaptés à leur hôte ont développés au cours de l’évolution des mécanismes leur permettant de contourner ou de supprimer la première ligne de reconnaissance, en produisant des effecteurs capable d’interférer avec les réponses immunitaires. La sensibilité qui en résulte a été nommée ETI pour “Effector Triggered Susceptiblity“. Au sein d’une espèce végétale donnée, certains écotypes vont être capables de détecter spécifiquement un de ces effecteurs grâce à la présence du produit d’un gène de résistance. L’effecteur est alors qualifié de protéine d’avirulence et ce système est la base du concept “gène-pour-gène“ récemment renommé l’ETI (Effector Triggered Immunity).

Les effecteurs d’oomycètes

L’analyse des données de génomique sur les oomycètes et notamment le genre Phytophthora, a révélé l’existence de 2 larges failles de protéines modulaires. La famille RXLR (> 700 gènes chez P. infestans) présente une extrémité amino-terminale conservée comportant en aval d’un peptide signal le motif RXLR, impliqué dans la translocation de l’effecteur dans la cellule de l’hôte. La partie carboxyterminale est hypervariable et interviendrait dans la fonction de l’effecteur. La second famille dites des Crinklers (CRN) présente également une architecture modulaire (> 200 gènes chez P. infestans) avec une extrémité aminoterminale conservée incluant en aval du peptide signal un motif LXLFLAK conservé assurant la translocation de l’effecteur dans la cellule hôte alors que le domaine carboxyterminal hypervariable interviendrait dans la fonction de l’effecteur. Le rôle joué par ces effecteurs au cours des interactions restent encore à déterminer.

Les effecteurs d’Aphanomyces euteiches

L’analyse du génome d’A. euteiches et disponibles dans la base de données AphanoDB (http://www.polebio.lrsv.ups-tlse.fr/aphano/) a révélé l’absence de protéines de type RXLR chez A. euteiches, alors qu’une large famille de protéines Crinklers a été identifiées. Nous recherchons de nouveaux effecteurs en comprenant les génomes de plusieurs Aphanomyces infectant des hôtes très variés (plantes, animaux…) puis en étudiant le rôle de ces gènes sur la plante hôte.

Publications

2018

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Thèses

Thèses en cours

L. Boyrie Détection de gènes coadaptés par analyses de SNP chez Medicago truncatula

C. Faure Etude des mécanismes cytologiques et moléculaires du pouvoir pathogène de Pythium oligandrum, un oomycète mycoparasite

D. Gayrard Etude de métabolites antifongiques issus d’un Streptomycète utilisé pour le biocontrôle d’agents phytopathogènes

Thèses soutenues

T. Martinez (2015) Les oomycètes, microorganismes pathogènes de plantes : nouvelles ressources biotechnologiques pour l’exploitation de la biomasse ligno-cellulosique

Y. Badis, (2014) Déterminants génétiques de la résistance de Medicago truncatula à Aphanomyces euteiches

D. Ramirez, (2014) Analyse des effecteurs Crinklers (CRN) de l’oomycète Aphanomyces euteiches.

O. André (2014) Analyse génétique de la résistance quantitative de Medicago truncatula au parasite racinaire Aphanomyces euteiches.

A. Nars, (2013) Caractérisation structurale et perception par la plante hôte Medicago truncatula des chitosaccharides pariétaux d’Aphanomyces euteiches, parasite de légumineuses. Lire

T. Rey, (2013) Mise en évidence et caractérisation d’interconnexions moléculaires entre symbiose et résistance chez la légumineuse modèle Medicago truncatula

M. Larroque, (2008-2011) Mécanismes de surveillance de l’intégrité pariétale et rôle dans l’induction des défenses des plantes. Lire

V. Jaulneau, (2010) Mode d’action de nouvelles molécules stimulatrices des défenses des plantes. (Confidentielle)

M. Cazaux, (2009) Analyse génétique de la résistance de la légumineuse Medicago truncatula à Colletotrichum trifolii. Lire

M.A. Madoui, (2009) Génomique fonctionnelle de l’interaction Medicago truncatula/Aphanomyces euteiches Lire

I. Badreddine, (2008) Etudes des surfaces cellulaires d’Aphanomyces euteiches parasite de légumineuses.Lire

N. Djébali, (2008) Etude des mécanismes de résistance de la plante modèle Medicago truncatula vis-à-vis de deux agents pathogènes majeurs des légumineuses cultivées : Phoma medicaginis et Aphanomyces euteiches. Lire

J. Wong Sak Hoi, (2007). Analyse fonctionnelle du facteur de transcription CLSTE12, impliqué dans le pouvoir pathogène du champignon phytopathogène Colletotrichum lindemtuhianum.

P.Siriputthaiwan, (2005). Sécrétion de protéines et pouvoir pathogène des champignons parasites de plantes : rôle d’une Rab/GTPase impliquée dans le transport vésiculaire.

C. Torregrosa, (2004) Caractérisation cytologique, génétique et moléculaire de l’interaction Colletotrichum trifolii/Medicago truncatula.

M. Khatib (2004) Expression par transgenèse d’un éliciteur de Phytophthora dans le Tabac et Arabidopsis et étude du phénotype.

C. Herbert (2003) Analyse moléculaire de la régulation de l’expression des gènes codant les endopolygalacturonases de Colletotrichum lindemuthianum, agent de l’anthracnose du Haricot.

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