Bases moléculaires de l’interaction R-Avr dans le pathosystème forestier modèle Populus-Melampsora à travers une approche de biologie intégrative

Responsable Scientifique :  Sébastien Duplessis – UMR 1136 Interactions Arbres/Micro-organismes (Equipe Ecogénomique)

Partenaires Labex : Pascal Frey, Fabien Halkett, Stéphane De Mita (UMR 1136 IAM, Equipe Ecologie), Arnaud Hecker, Nicolas Rouhier (UMR 1136 IAM, Equipe Ingénierie protéique)

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Contexte — Les dégâts considérables causés par les agents de rouille impactent fortement la productivité de nombreux agrosystèmes dont la populiculture et il apparaît urgent de comprendre les mécanismes d’interaction entre hôtes et champignons pour établir des méthodes de lutte durable. Nos connaissances de la biologie des agents de rouilles restent encore limitées, particulièrement du fait de leur statut de parasite biotrophe obligatoire, qui complique le développement d’approches fonctionnelles. Avec les récents progrès de la génomique, il est désormais possible de disséquer des caractères génétiques complexes chez des espèces non modèles. La disponibilité des séquences des génomes du peuplier Populus trichocarpa et de la rouille foliaire du peuplier Melampsora larici-populina est une réelle opportunité pour décrypter les mécanismes d’interaction arbre-champignon biotrophe.

Objectifs — Etudier les mécanismes d’interaction entre déterminants moléculaires responsables de la résistance (gènes R) chez le peuplier et de la virulence (molécules effectrices, gènes Avr) chez le champignon M. larici-populina.

Démarche — Nous proposons de développer une approche de biologie intégrative couplant génomique des populations, génomique fonctionnelle et biochimie des protéines pour identifier des déterminants majeurs de la virulence et valider l’interaction entre protéines R et AVR.

Résultats marquants —

• 88 isolats de M. larici-populina issus d’une large collection constituée sur plus de 20 ans en France autour d’un évènement majeur de contournement de résistance à la rouille ont été sélectionnés, multipliés sur feuille de peuplier, leur ADN a été extrait et a permis de séquencer leurs génomes par la méthode Illumina. Le polymorphisme de type SNP (Single Nucleotide Polymorphism) a été identifié dans ces différents génomes par comparaison avec le génome de référence de M. larici-populina isolat 98AG31 disponible au Joint Genome Institute.
• La structure des populations ciblées et les évènements démographiques liés à l’émergence de la virulence 7 chez M. larici-populina ont été précisés par une approche de génétique des populations.
• Sur la base de la connaissance de la structure populationnellen, une approche de Génome Scan a pu être appliquée pour identifier les régions génomiques sous sélection possiblement associées à l’évènement d’émergence de la virulence 7.

Principales conclusions incluant des points-clés de discussion —

• L’analyse de la structure des populations indique que les individus porteurs de la virulence 7 sont apparus en 1994 et sont issus de populations adaptées à des résistance antérieures à la résistance 7. Ce groupe génétique a subi un goulot d’étranglement suivi d’une expansion démographique permettant sa diffusion sur le territoire français.
• L’analyse par Genome Scan permet d’identifier 15 régions génomiques sous sélection liées à l’émergence de la virulence 7, correspondant à 14 gènes candidats.

Perspectives — Les gènes candidats mis à jour sont actuellement étudiés plus en détail (expression lors de l’interaction avec la plante hôte) afin de déterminer le ou les gènes candidats associés à la virulence. La/les protéine(s) recombinante(s) correspondant aux gènes les plus prometteurs vont être produites chez Escherichia coli et seront infiltrées sur des peupliers porteurs de la résistance 7 pour valider l’interaction R-Avr (réaction d’hypersensibilité). En cas de succès, la fonction de la protéine fongique sera étudiée plus avant (localisation, cible chez l’hôte) et la protéine de résistance correspondante chez l’hôte sera recherchée par une approche de co-immunoprécipitation.

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Légende pour la photo 
Crédits : Pascal Frey, Benjamin Petre & Sébastien Duplessis (INRA)

La maladie de la rouille foliaire du peuplier est marquée par la formation de pustules oranges sur la face inférieure des feuilles infectées qui correspondent à des structures sporifères du champignon Melampsora larici-populina produisant des milliers de spores capables d’infecter de nouvelles feuilles. Les images présentées ici illustrent les symptômes à l’échelle de la feuille, en gros plan montrant les amas de spores agrégées en surface et les structures d’infection dans le parenchyme foliaire par coloration du champignon au bleu de toluidine.