PhD defense the 28th of March at 1.30 p.m. in the conference room of the INRA center in Champenoux.

Résumé:

La maladie de la rouille foliaire du peuplier est causée par des espèces de champignons de la famille des Melampsoraceae et de l’ordre des Pucciniales. Trois espèces infectent principalement les peupleraies en France : Melampsora larici-populina qui est la plus agressive, Melampsora allii-populina et Melampsora medusae f. sp. deltoidae. Dans leurs cycles de vie, ces trois espèces partagent les peupliers comme hôtes communs pour assurer leur multiplication clonale au cours de l’été et elles infectent des hôtes différents pour réaliser leur cycle sexué au cours du printemps. Chez les champignons pathogènes biotrophes obligatoires comme les Pucciniales, la sécrétion de molécules appelées effecteurs conditionne le succès d’infection de la plante hôte. Ainsi, les effecteurs permettent de manipuler les fonctions cellulaires de l’hôte et de contourner son système immunitaire. Comprendre le rôle fondamental de ces molécules dans la cellule-hôte est une des questions clés de la biologie des effecteurs. Au cours de cette thèse, des approches de génomique, de transcriptomique et de caractérisation fonctionnelle et structurale d’effecteurs candidats ont été déployées afin de contribuer à l’analyse moléculaire de l’interaction entre peupliers et Melampsora spp. Premièrement, l’analyse du transcriptome de M. larici-populina au cours de son cycles sexué a mis en évidence que les protéines sécrétées sont surreprésentées parmi les gènes surexprimés dans les basides et au cours de l’infection de l’hôte mélèze. La comparaison des transcriptomes de M. larici-populina lors de l’infection des deux hôtes, le peuplier et le mélèze, révèle la présence d’une majorité de gènes exprimés communément chez les deux hôtes et une fraction exprimée spécifiquement chez chacun des deux hôtes. Ainsi, nous révélons des gènes codant de petites protéines sécrétées qui pourraient être associés à la spécificité d’hôte. Deuxièmement, le séquençage du génome de M. allii-populina et sa comparaison au génome de M. larici-populina a révélé une expansion de sa taille (336 Mb contre 110 Mb). Cette dernière est associée à l’invasion du génome par de nombreux éléments transposables qui représentent près de 75% du génome et par un enrichissement en gènes par rapport à M. larici-populina (23 089 gènes contre 19 550). Cependant, les répertoires de gènes potentiellement impliqués dans le processus infectieux sont proportionnellement sensiblement similaires entre les deux espèces. Les quelques différences observées pourraient être associées à la spécificité d’hôte (Populus spp./Larix spp. dans un cas et Populus spp./Allium spp. dans l’autre) et à l’adaptation à des hôtes alternants différents. Troisièmement, des cribles effectoromiques réalisés sur un répertoire d’effecteurs candidats de M. larici-populina ont révélé deux candidats d’intérêt. Nous avons mis en place des approches fonctionnelles pour tenter d’élucider leur rôle dans l’interaction avec le peuplier. Nous avons ainsi pu produire l’effecteur MLP124017 qui interagit avec des protéines de la famille Topless-related proteins et résoudre sa structure tridimensionnelle qui présente une similarité à des protéines nuclear transport factor 2 like qui sont des protéines cargo transportant diverses molécules entre le noyau et le cytoplasme. L’effecteur Chloroplast-Targeted Protein MLPCTP1 est adressé vers et est localisé dans les chloroplastes via un peptide de transit dans le système hétérologue Nicotiana benthamiana et nous montrons une localisation similaire chez le peuplier et l’arabette. Les fonctions de ces effecteurs restent encore à déterminer mais les travaux amorcés dans cette thèse ouvrent de nouvelles perspectives quant à la diversité et au rôle des effecteurs chez les Pucciniales.

Abstract:

The poplar rust disease is caused by fungi belonging to the order Pucciniales in the family Melamsporaceae. Three main species cause damages in poplar plantations in France: Melampsora larici-populina, which is the most aggressive, Melampsora allii-populina and Melampsora medusae f. sp. deltoidae. During their life cycles, these three fungi share poplars as main host in which they achieve their clonal multiplication during summer and they infect different alternate hosts to complete their sexual reproduction in spring. In fungal obligate biotrophs like rust fungi, the success of host infection is conditioned by the secretion of molecules called effectors. Effectors allow the pathogen to manipulate host cell processes and to evade the plant immune system. A key question in effector biology is to understand how these molecules function in the host cell. In the frame of this PhD thesis, genomics, transcriptomics, functional and structural approaches were used to contribute to the molecular analysis of the poplar-Melamspora spp. interaction. Firstly, the transcriptome analysis of M. larici-populina during its sexual cycle highlighted that small-secreted proteins were over-represented among genes up-regulated in basidia and during larch infection. Comparison of M. larici-populina transcriptomes during infection of the two hosts, poplar and larch, revealed that a majority of the genes are commonly expressed on both hosts and a fraction is specifically expressed on each host. Small-secreted protein genes specifically expressed on each host maybe related to host specificity. Secondly, the sequencing of the M. allii-populina genome and the comparison with M. larici-populina revealed a size expansion in M. allii-populina (336Mb vs. 110Mb). This expansion is mostly due to the invasion of the genome by numerous transposable elements that represent more than 75% of the genome and by a gene enrichment compared to M. larici-populina (23,089 and 19,550 genes, respectively). However, catalogues of gene potentially involved in the infection process are proportionally similar between the two species. The few differences observed could be linked to host specificity (Populus spp./Larix spp. on one hand and Populus spp./Allium spp. on the other hand) and adaptation to their different hosts. Thirdly, effectoromic screens developed on a panel of M. larici-populina candidate effectors revealed two candidates of interest. We set up a pipeline of functional approaches in order to elucidate their role in the interaction with poplar. We produced the candidate effector MLP124017 that interacts with proteins of the Topless-related proteins family and solved its structure that presents similarities with nuclear transport factor 2 like proteins. These proteins are cargos that transport diverse molecules between the nucleus and cytosol in plant cells. The effector Chloroplast-Targeted Protein MLPCTP1 is addressed and translocated inside chloroplasts through a transit peptide in the heterologous system Nicotianana benthamiana and we showed that the same localization occurs in poplar and in Arabidopsis. The functions of these two effectors remain to be determined but the functional characterization initiated in this thesis opens new perspectives in term of diversity and roles of effectors in rust fungi.