Dynamique évolutive de Ralstonia solanacearum en réponse aux pressions de sélection de l'aubergine résistante : approche populationnelle, de génétique évolutive et fonctionnelle de la durabilité de la résistance

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Dynamique évolutive de Ralstonia solanacearum en

réponse aux pressions de sélection de l’aubergine

résistante : approche populationnelle, de génétique

évolutive et fonctionnelle de la durabilité de la résistance

Jérémy Guinard

To cite this version:

Jérémy Guinard. Dynamique évolutive de Ralstonia solanacearum en réponse aux pressions de sélec-tion de l’aubergine résistante : approche populasélec-tionnelle, de génétique évolutive et foncsélec-tionnelle de la durabilité de la résistance. Sciences agricoles. Université de la Réunion, 2015. Français. �NNT : 2015LARE0032�. �tel-01379540�

UNIVERSITÉ DE LA RÉUNION

Ecole Doctorale des Sciences, Technologies et Santé E.D. n°542

UMR Peuplements Végétaux et Bio-agresseurs en Milieu Tropical

CIRAD – Université de la Réunion

THÈSE

Présentée par

Jérémy GUINARD

Pour obtenir le diplôme de Doctorat en Sciences

Spécialité :

Dynamique évolutive de Ralstonia solanacearum en

réponse aux pressions de sélection de l’aubergine

résistante : approche populationnelle, de génétique

évolutive et fonctionnelle de la durabilité de la

résistance

Soutenue le 14 Décembre 2015 devant le jury composé de

Mme Pascale BESSE Professeure, Université de la Réunion Présidente

Mme Claire NEEMA Professeure, Montpellier SupAgro Rapporteur

Mme Marie-Agnès JACQUES Directrice de recherche, INRA Rapporteur

M. Benoit MOURY Directeur de recherche, INRA Examinateur

Encadrée par :

M. Stéphane POUSSIER Professeur, Université de la Réunion Directeur de thèse

UNIVERSITÉ DE LA RÉUNION

Ecole Doctorale des Sciences, Technologies et Santé E.D. n°542

UMR Peuplements Végétaux et Bio-agresseurs en Milieu Tropical

CIRAD – Université de la Réunion

THÈSE

Présentée par

Jérémy GUINARD

Pour obtenir le diplôme de Doctorat en Sciences

Spécialité :

Dynamique évolutive de Ralstonia solanacearum en

réponse aux pressions de sélection de l’aubergine

résistante : approche populationnelle, de génétique

évolutive et fonctionnelle de la durabilité de la

résistance

Soutenue le 14 Décembre 2015 devant le jury composé de

Mme Pascale BESSE Professeure, Université de la Réunion Présidente

Mme Claire NEEMA Professeure, Montpellier SupAgro Rapporteur

Mme Marie-Agnès JACQUES Directrice de recherche, INRA Rapporteur

M. Benoit MOURY Directeur de recherche, INRA Examinateur

Encadrée par :

M. Stéphane POUSSIER Professeur, Université de la Réunion Directeur de thèse

POLE RECHERCHE Ecoles Doctorales

LETTRE D’ENGAGEMENT DE NON-PLAGIAT

Je, soussigné(e) Jérémy GUINARD………, en

ma qualité de doctorant(e) de l’Université de La Réunion, déclare être conscient(e) que le

plagiat est un acte délictueux passible de sanctions disciplinaires. Aussi, dans le respect de la

propriété intellectuelle et du droit d’auteur, je m’engage à systématiquement citer mes

sources, quelle qu’en soit la forme (textes, images, audiovisuel, internet), dans le cadre de la

rédaction de ma thèse et de toute autre production scientifique, sachant que l’établissement est

susceptible de soumettre le texte de ma thèse à un logiciel anti-plagiat.

Fait à Saint Pierre, le 10/03/2016

Signature :

Extrait du Règlement intérieur de l'Université de La Réunion

(validé par le Conseil d’Administration en date du 11 décembre 2014)

Article 9. Protection de la propriété intellectuelle – Faux et usage de faux, contrefaçon, plagiat

L’utilisation des ressources informatiques de l’Université implique le respect de ses droits de propriété intellectuelle ainsi que ceux de ses partenaires et plus généralement, de tous tiers titulaires de tes droits.

En conséquence, chaque utilisateur doit :

- utiliser les logiciels dans les conditions de licences souscrites ;

- ne pas reproduire, copier, diffuser, modifier ou utiliser des logiciels, bases de données, pages Web, textes, images, photographies ou autres créations protégées par le droit d’auteur ou un droit privatif, sans avoir obtenu préalablement l’autorisation des titulaires de ces droits.

La contrefaçon et le faux

Conformément aux dispositions du code de la propriété intellectuelle, toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle d’une œuvre de l’esprit faite ans le consentement de son auteur est illicite et constitue un délit pénal.

L’article 444-1 du code pénal dispose : « Constitue un faux toute altération frauduleuse de la vérité, de nature à cause un préjudice et accomplie par quelque moyen que ce soit, dans un écrit ou tout autre support d’expression de la pensée qui a pour objet ou qui peut avoir pour effet d’établir la preuve d’un droit ou d’un fait ayant des conséquences juridiques ».

L’article L335_3 du code de la propriété intellectuelle précise que : « Est également un délit de contrefaçon toute reproduction, représentation ou diffusion, par quelque moyen que ce soit, d’une œuvre de l’esprit en violation des droits de l’auteur, tels qu’ils sont définis et réglementés par la loi. Est également un délit de contrefaçon la violation de l’un des droits de l’auteur d’un logiciel (…) ».

Le plagiat est constitué par la copie, totale ou partielle d’un travail réalisé par autrui, lorsque la source empruntée n’est pas

citée, quel que soit le moyen utilisé. Le plagiat constitue une violation du droit d’auteur (au sens des articles L 2 et L 335-3 du code de la propriété intellectuelle). Il peut être assimilé à un délit de contrefaçon. C’est aussi une faute disciplinaire, susceptible d’entraîner une sanction.

Les sources et les références utilisées dans le cadre des travaux (préparations, devoirs, mémoires, thèses, rapports de stage…) doivent être clairement citées. Des citations intégrales peuvent figurer dans les documents rendus, si elles sont assorties de leur référence (nom d’auteur, publication, date, éditeur…) et identifiées comme telles par des guillemets ou des italiques.

Les délits de contrefaçon, de plagiat et d’usage de faux peuvent donner lieu à une sanction disciplinaire indépendante de la mise en œuvre de poursuites pénales.

REMERCIEMENTS

Voilà maintenant la partie la plus difficile de cette thèse, les remerciements… Par qui commencer lorsque l’on n’a tant de personne à remercier ? Le dépôt de ce manuscrit et la soutenance associée est l’aboutissement de 8 années d’études, d’un rêve d’étudiant qui se concrétise enfin. Faire une thèse était pour moi un objectif à atteindre depuis le début de mes études supérieures, autant dire que cela représente beaucoup pour moi. À l’écriture de ces mots, je suis traversé par une ambivalence de sentiments : je tremble de joie mais aussi de peur de voir ce rêve enfin accompli. Alors ça y est, je soutiens ma thèse ? Difficile de réaliser…

Ce travail a été financé par le Centre de Coopération International en Recherche Agronomique pour le Développement (CIRAD), l’université de la Réunion, la Région Réunion, l’Union Européen (Projet FEDER), Agreenium (Programme EIR-A) ainsi que par le Ministère de l’Agriculture (Projet CASDAR). Cette thèse a été réalisée au Pôle de Protection des Plantes (3P), à la station Ligne Paradis du CIRAD de Saint-Pierre, Ile de la Réunion.

J’exprime toute ma reconnaissance à Bernard Reynaud pour m’avoir accueilli au sein de son UMR et à Jacques Dintinger pour m’avoir accueilli dans son équipe. Je tiens à remercier Stéphane Poussier et Emmanuel Wicker, respectivement directeur de thèse et encadrant. Ils ont su faire preuve d’une grande patience envers moi. Merci pour toutes les connaissances qu’ils ont pu m’apporter, pour m’avoir permis de faire mes propres erreurs comme mes réussites, en étant relativement présents pour me conseiller et me guider. Merci d’avoir tenu bon jusqu’à la fin de cette thèse malgré les innombrables problèmes rencontrés durant cette thèse, que ce soit d’un point de vue humain comme d’un point de vue scientifique. Malgré tout, je n’oublierai jamais le brame de 18h… Merci aussi à l’ensemble du personnel administratif et scientifique du 3P qui a contribué de près ou de loin à cette thèse.

Je remercie Mmes Claire Neema et Marie-Agnès Jacques pour avoir accepté d’être les rapportrices de mes travaux de thèse ainsi que M. Benoît Moury pour sa participation au jury de thèse et aux comités de thèse. Je tiens également à remercier Virginie Ravigné, Pierre Lefeuvre et Alice Guidot pour avoir participé à mes comités de thèse, pour leurs critiques toujours constructives et leurs encouragements. Merci aussi à Fred, Sandrine et Agathe sans qui les statistiques seraient restées un monde obscure. Je remercie aussi Phillipe, Olivier, Virginie, Christian, Pierre, Rodolphe et Gilles pour les discussions enrichissantes en génétique moléculaire et en génétique des populations.

Merci à mes collaborateurs de Toulouse : Stéphane Génin, Némo Peeters et Keke Wang. Travailler avec vous était très formateur et vraiement très intéressant. Bien sûr, par extension je remerci toute la SG-Team avec qui j’ai passé de très bons moments! I want to thank Boris Vinatzer who welcomed me in his lab, I really appreciated working with you boss. Thanks Marco for performing experiment. Thanks also to Chris Clarke and Caroline Monteil for countless explaination in science. I also wanted to thank Kevin and Hannah for their daily good mood. Thanks for the self-defence training and, I know, I am a mess. I had great time with all of you guys.

Je pense très souvent aux gens qui n’ont jamais cru en moi et qui m’ont toujours sermonné avec des phrases du type « tu n’y arriveras jamais ». Ces bâtons dans les roues ont aussi été très formateurs et m’ont donné suffisamment de hargne et de pugnacité pour leur montrer qu’ils avaient tort, que je valais finalement quelque chose. Je n’ai pas la prétention de dire que je suis devenu un bon scientifique ou que je mérite des éloges dithyrambiques, loin de moi cette idée, well…here I am folks !

J’ai tant de gens à remercier de m’avoir suivi, épaulé, aidé, soutenu, remonté le moral, boosté, motivé, qui m’ont fait partager tant d’instants qui ont de près ou de loin contribué au bon déroulement de cette thèse et (surtout) de ses à-côtés…

I want to thank John Andralojc, my supervisor during my three months-placement in Rothamsted Research Center. Even if I spent hours in the greenhouses measuring photosynthesis rate on willow leaves or hours in blooming wheat fields measuring chlorophyll contents, I really appreciated my time there. I learnt a lot with you and you gave me the « taste » of science and research. I will always be grateful for this. Thanks also to my aunties (Jo & Marina) who dragged me into science.

Merci à l’équipe de choc, la « Ralsto Team Peï » : Jacques le Yéti, Manu le cerf (tu descends ?), Sisi la princesse du Sud, Sylvain le nounours des hauts, Jean-Mi le coach, Edith et Marie les tantines des îles, Cyrill le bout-en-train du matin. Merci à l’excellence de l’équipe technique. Merci Sylvain pour m’avoir forcé à sourire en fin de thèse, ça aide mine de rien ! Merci coach pour l’entrainement et l’encadrement des matches de foot ! Merci aussi à Didier, Martial et Jim pour les coups de main salvateurs lors des manips de fin de cycle. Merci aussi à AG91-25 et à MM738...désolé de vous avoir tant torturé !

Merci aussi aux stagiaires Anne, Anaïs et Lakshmi qui ont contribué de manière hautement significative*** (bon ok je sors) à cette thèse. Elles ont fourni un travail de qualité qui m’a été indispensable au cours de cette thèse. J’espère que leur passage au CIRAD leur aura apporté au moins autant qu’elles m’ont apportées.

Je tiens à dire un grand merci à Steph’, Mumu, Jean-Jacques, Karine, Lulu, Boubou, Laet, Claudine et aux deux Véro pour leur aide précieuse, leurs astuces et leurs savoirs-faire qui m’ont fait gagner un temps précieux ! Merci aussi de m’avoir formé aux ficelles de la µbio et de la bio mol’. Merci Océane d’avoir participé à mon esclavagisme.

Un grand merci à Caro. Son énergie, sa joie de vivre et sa passion pour la recherche sont communicatifs. Merci pour tes conseils en science, tes relectures de ce manuscrit et pour tes critiques constructives et mélioratives. Merci aussi de m’avoir fait découvrir le « Triadventure group », de m’avoir donné gout au Triathlon et de m’avoir inculqué la philosophie du « let it go » ! Nartrouv’ ça vite.

Je tiens à saluer et à remercier mes collègues thésard(e)s (et ex-thésard(e)s), compagnons de galère, avec qui il suffit d’un regard pour savoir ce que l’autre traverse et d’un sourire compatissant pour donner un peu de baume au cœur. Sans ordre, merci à Alice, Oriane et Maud (Miaou ?), Mané, N-O, Max et Sisi, Morguen, Noura, Sasa, Alex-Virus, Minichef, Clara, Brice Toko, Sophie, Issa, Alassane, Carine, Julien, Bastien , Mathilde, Mathieu Gouine et Aline... Bon courage à ceux qui n’ont pas encore soutenu, on y survit (enfin je crois…) ! Une petite pensée ici pour les thésards (et amis) d’ailleurs qui sont (ou vont) passés par là : Bobo, Popo, Agathe, Keke, Fabien (le 12 c’est hardcore !), Pauline, Coupcoup, Lyly, Aurélie, Younes et Andrew.

Merci au trio des Vieilles meufs et à Mané pour les pauses café-toblerone-remontage de moral, les sessions natations, les discussions (et explications) en genet’ des pop, les dépannages de Script R… j’en passe, la liste est longue ! Max, je n’oublierai pas tous les noms d’oiseaux divers et variés qui m’ont fait beaucoup rire (headless chicken, pause-caca, the hobo…), mais je ne me les ferai pas tatouer pour autant. N-o, notre ambianceur national, merci pour les crises de fou rire que tu m’as donné, par moments elles étaient salvatrices !

Merci à tous mes amis d’ici et d’ailleurs qui m’ont suivi et supporté tout au long de cette thèse. Sans ordre : Les loulous du Nord (Alex & Pauline, Agathe & Romy, Bobo), les kinés de la villa palette, Yvane (+ les bouseux du PB), Nico-koko, Declain bas, Pedro & Sandrine, Ju & Alex, Clément, Mel, Godet, BadBoy & Justine, Manu & Amandine, Samuel, Marbie & Floppy, Iltaf, Mathoch’, Wawa, Sharham, Eli, Liz, Nabil, Gilloux, Laura Chef Cougar, Yan & Meeeeeeeeeel, Emilie, Colique & Emerine, Quentin Baies-roses… Un grand merci à David et sa petite maman Cathy d’être venus (un peu sans le savoir) à la fin de cette thèse et qui m’ont fait m’aérer pendant mes gros coups de stress. Désolé de ne pas avoir pu trop me libéré. Merci aussi aux VSC et stagiaires du CIRAD, trop nombreux pour être cités ici mais je pense bien à vous aussi !

Charlotte, que dire ? J’admire ton courage de m’avoir supporté en cette fin de thèse. Ta présence à mes côtés a été plus que bienfaitrice. Tu as su m’apaiser avec tes mots et ta tendresse mais tu m’as aussi motivé à travailler le soir et les weekends, et m’a encouragé à ne rien lâcher malgré une cadence de travail infernale. Merci pour les relectures de ce manuscrit, Ralsto n’a plus de secrets pour toi désormais. Merci de m’avoir supporté pendant ces 2 derniers mois de stress, d’indisponibilité et d’ascenseur émotionnel et d’avoir pris soin de moi en ces moments d’égarement.

Et, bien évidemment, comment ne pas remercier mes colocataires Pierre (Boubou), Isa (l’ignoble) et Oriane (l’horrible) ? Ces trois personnes ont grandement contribué à cette thèse en me faisant répéter mes oraux, en me sortant de ma torpeur et en m’aidant à décompresser par des repas presque parfaits, des câlins colocs, et j’en passe. Parfois, rien que leur présence ou de les savoir pas loin me réconfortait et m’aidait à tenir le coup. Alors pour tout cela, je vous dis mille mercis (bisoubisounours !). Une fois cette thèse terminée, nous trinquerons aussi à la meilleure coloc’ du monde !! Et puis Merci Jacquie et Michel ! Merci pour tout, merci d’avoir été là, merci d’être vous ! Merci aussi aux super coloc’s de passage : Bricou, Alix, Momo et Nico.

Je remercie également ma famille (tous ne sont pas cités, mais cela ne m’empêche pas de penser à vous). Merci de votre patience, de vos encouragements et de votre soutien à distance. Merci d’avoir toujours cru en moi depuis le premier jour. Maman & Franck, Pierre & Auré (mes frères !), Alice, Papa & Manou, Sophie & Pierre, Papy, Papillon, Jo & Mimi… Serai-je sur la 3e _{marche du podium ?}

Une pensée toute émue à mes deux grands-mères, Nany et Coucoule, parties quelques mois avant la fin de cette thèse. J’aurai aimé voir la fierté dans vos yeux, votre 1er _{petit fils vous annonçant qu’il a}

(enfin) terminé sa thèse.

SOMMAIRE

INTRODUCTION GÉNÉRALE ... 1

CHAPITRE 1 : SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE ET PROBLÈMATIQUE DE LA THÈSE .. 3

SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE ... 5

1. Bases moléculaires de l’interaction hôte-pathogène ... 5

1.1. Interaction moléculaire entre un hôte et son pathogène ... 5

1.1.1. Le modèle de Jones et Dangl ... 5

1.1.1.1. Reconnaissance des motifs moléculaires associés aux microorganismes ... 5

1.1.1.2. Coévolution hôte-pathogène : la sensibilité médiée par les effecteurs ... 6

1.1.1.3. Les réponses de défense spécifiques ... 8

1.1.2. Le modèle d’invasion de Cook, Mesarich et Thomma ... 9

1.2. Résistance des plantes aux bio-agresseurs ... 11

1.2.1. Résistance non-hôte ou résistance non-spécifique ... 13

1.2.2. Résistance hôte ... 13

1.2.2.1. La résistance hôte race-non spécifique ... 14

1.2.2.2. La résistance hôte cultivar-race spécifique ... 14

1.1.1.1. Les différentes classes de gènes de résistance ... 16

1.1.2. Les différentes stratégies de déploiement de la résistance ... 18

1.1.2.1. Un seul gène de résistance ... 18

1.1.2.2. Rotation de gènes de résistance dans le temps ... 19

1.1.2.3. Mélange ou mixture de gènes de résistance ... 19

1.1.2.4. Pyramidage de gènes ... 19

1.1.2.5. L’épidémiologie du paysage ... 20

1.2. Durabilité de la résistance ... 20

1.2.1. La notion de durabilité de la résistance ... 20

1.2.2. Durabilité de la résistance : comment la mesurer ? ... 21

2. Potentiel évolutif des agents phytopathogènes ... 23

2.1. Diversité et structure génétique des microorganismes pathogènes ... 23

2.1.1. Forces évolutives générant de la diversité chez les microorganismes pathogènes .... 23

2.1.1.1. Mutation ... 23

2.1.1.2. Sélection exercée par les gènes de résistance ... 24

2.1.1.3. Flux de gènes et de génotypes ... 24

2.1.1.4. Taille efficace et dérive génétique ... 24

2.2. Contournement delarésistance... 25

2.3. Coût de virulence/déficit de fitness... 27

2.4. Structuration génétique des populations bactériennes... 27

2.5. Outils pourl’épidémiologie des populations bactériennes:les marqueurs moléculaires. 30 2.5.1. L’approche MLSA/MLST... 31

2.5.2. L’approche MLVA... 33

2.5.2.1. Caractéristiques des VNTRs... 33

2.5.2.2. Modèles de mutation et homoplasie... 33

2.5.3. L’analyse MLVA chezles bactéries phytopathogènes... 34

2.6. Analyse dela structure des populations... 36

2.6.1. Différenciation génétique... 36

2.6.2. Déséquilibre deliaison et recombinaison... 36

3. Ralstonia solanacearum,l’agent du flétrissement bactérien... 39

3.1. Symptomatologie et distribution géographique... 39

3.1.1. Cycle de vie... 41

1.1.1. Modes de conservation et de dissémination... 43

1.2. Morphologie, physiologie,taxonomie et phylogénie... 43

1.2.1. Caractéristiques morphologies et physiologiques... 43

1.2.2. Classification en race, biovars et écotypes... 43

1.1.1. Classification en phylotypes, clades et séquévars... 47

1.1.2. Classification en espèce génomique... 49

1.2. Structuration et plasticité du génome... 50

1.3. Les déterminants du pouvoir pathogène de R. solanacearum ... 51

1.3.1. Les déterminants dela mobilité et del’attachement... 51

1.3.2. Les exopolysaccharides etles biofilms... 52

1.1.1. Les enzymes extracellulaires (PCWDE)... 53

1.1.2. Le système de régulation dépendant detype quorum sensing ... 55

1.1.3. Les différents systèmes de sécrétion... 57

1.1.3.1. Le Système de Sécrétion de Type 3(SST3) et ses effecteurs... 57

1.1.3.1.1. Le SST3... 57

1.1.3.1.2. Les effecteurs detype III (ET3)... 58

Rôles... 58

Structure et fonctions... 59

Les différentes familles d’effecteurs etleurs membres... 59

1.1.3.1.3. Répertoire d’ET3... 61

Répertoire complet... 62

Core-effectome... 63

Répertoire d’effecteurs et phénotypes... 63

1.2. Stratégies delutte contre R. solanacearum ... 64

1.2.1. Les différentstypes delutte contreleflétrissement bactérien... 64

1.2.2. Lalutte génétique etlarésistance à R. solanacearum ... 65

1.2.3. Sources et mécanismes derésistance à R. solanacearum ... 67

1.2.3.1. Chez Arabidopsisthaliana ... 67

1.2.3.2. Chez Medicagotruncatula ... 68

1.2.3.3. Chezles Solanacées à graines... 69

1.2.3.3.1. Chezlatomate... 69

1.2.3.3.2. Chezl’aubergine... 69

1.2.3.3.3. Typologie del’interaction Solanacées vs R. solanacearum ... 70

PROBLÈMATIQUE DE LA THÈSE... 72

CHAPITRE 2 : DYNAMIQUE ÉVOLUTIVE D’UNE POPULATION PARCELLAIRE DE R. SOLANACEARUM SOUS PRESSIONS DE SÉLÉCTION... 75

PARITE 2.1: Mise au point d’un schéma MLVA permettantle suivi microévolutif d’une population parcellaire de Ralstonia solanacearum de phylotype I... 77

1. Problématique... 77

2. Méthodologie... 78

3. Résultats et discussion... 78

4. Conclusion... 79

5. Publication... 79

PARTIE 2.2: La succession de cycles de culture d’aubergines sensibles (E8) et d'aubergines résistantes(E6)impactefortementla structure génétique d'une population naturelle de Ralstonia solanacearum de phylotype I... 127

1. Problématique... 127

2. Méthodologie... 128

3. Résultats et discussion... 129

5. Publication... 130

CHAPITRE 3 : RÔLE DE DIX EFFECTEURS DE TYPE TROIS DANS L’INTERACTION ENTRE R. SOLANACEARUM ET L’AUBERGINE RÉSISTANTE E6... 175

PARTIE 3.1: Détermination desrépertoires d’effecteurs et analyses phylogénétiques... 180

1. Matériel et méthodes... 180

2. Résultats... 184

3. Conclusion partielle... 201

PARTIE 3.2 : Etude de la fonction d’avirulence des dix effecteurs candidats par mutagénèse et

expression transitoire ... 207

1. Matériel et méthodes ... 207

2. Résultats ... 208

3. Conclusion partielle ... 209

PARTIE 3.3 : L’effecteur de type trois ripAX2 confère de l’avirulence à la souche GMI1000 de Ralstonia solanacearum sur l’aubergine (Solanum melongena) AG91-25 possédant le gène majeur de résistance Ers1 ... 210

1. Résumé ... 210

2. Publication ... 210

CHAPITRE 4: DISCUSSION ET PERSPECTIVES ... 247

CHAPITRE 5 : RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 261

SOMMAIRE DES FIGURES ET TABLEAUX

Figure 1. Le modèle en zigzag illustrant le système immunitaire de la plante. ... 4

Figure 2. Différents types de reconnaissance d’une protéine avr par une protéine R ... 7

Figure 3. Comparaison entre le modèle en zigzag et le modèle d’invasion ... 10

Figure 4. Vison de la réponse immunitaire par le modèle d’invasion lors de l’infection ... 10

Figure 5. Différents niveaux de la résistance non-hôte des plantes face aux agents pathogènes ... 12

Figure 6. Illustration de l’interaction de type « gène-pour-gène » ... 15

Figure 7. Principales classes de gènes de résistance des plantes ... 15

Figure 8. Stratégie de déploiement des résistances des plantes ... 17

Figure 9. Echelle du risque de contournement de la résistance ... 22

Figure 10. Représentation de la structure des populations bactériennes ... 28

Figure 11. Historique du développement des méthodes moléculaires... 29

Figure 12. Notation des données MLST et assignation à un séquençotype (ST) ... 29

Figure 13. Deux des principaux modèles de mutation ... 33

Figure 14. Symptômes de flétrissement bactérien sur deux plantes modèles ... 38

Figure 15. Symptômes de flétrissement bactérien sur aubergine et tomate ... 38

Figure 16. Symptômes de la pouriture brune sur pomme de terre ... 38

Figure 17. Symptômes de jaunissement des feuilles sur Anthurium ... 38

Figure 18. Symptômes de la maladie de Moko sur bananier ... 38

Figure 19. Symptôme de flétrissement bactérien sur concombre ... 38

Figure 20. Répartition mondiale de R. solanacearum sur les 5 continents ... 40

Figure 21. Cycle infectieux de R. solanacearum ... 40

Figure 22. Phénotypes de R. solanacearum sur différents milieux de cultures ... 42

Figure 23. Gel d’électrophorèse type de diagnostic de R. solanacearum par PCR multiplex ... 45

Figure 24. Généalogie des phylotypes et des clades de Ralstonia solanacearum ... 46

Figure 25. Test de l’eau ... 52

Figure 26. Principales voies de régulation de la virulence chez R. solanacearum ... 54

Figure 27. Représentation schématique des six systèmes de sécrétion chez les bactéries ... 56

Figure 28. Représentation du système de sécrétion de type III chez R. solanacearum ... 56

Figure 29. Schéma représentatif de l’action de ripP2 dans la cellule végétale ... 66

Figure 30. Modèle d’interaction entre ripP2 et RRS-1. ... 66

Tableau 1. Capacité des différents Biovars à dégrader les différents alcools et sucres……….45

Tableau 2. Correspondance entre les différentes classifications de R. solanacearum……….48

ABRÉVIATIONS

FST/FIT/FIS Statistique F de Wright

g Gramme

H Heure

IA Indice d’Association (Index of association)

Kb Kilobases m Mètre M Molaire Mb Megabase mL Millilitre N° Numéro Na Nombre d’haplotype Pb Paire de base RPM Rotation Par Minute

UFC/CFU Unité formant colonie (Colony Forming Unit)

V Volt

Instituts et programmes de recerche

3P Pôle de Protection des Plantes

AVRDC Asian Vegetable Research and Development Center

CIRAD Centre de coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement

EPPO/OEPP European and Mediterranean Plant Protection Organization / Organisation Européenne et Méditerranéenne pour la Protection des Plantes

FAO Organisation pour l’alimentation et l’agriculture (Food and Agricultural Organisation)

GENETOM Programme « Génétique de la Tomate » INRA Institut National de la Recherche Agronomique

PRAM Pôle de Recherche Agro-environnemental de la Martinique PVBMT Peuplements Végétaux et Bioagresseurs en Milieu Tropical UE/EU Union Européenne (European Union)

UMR Unité Mix de Recherche UPSUD Université Paris Sud

VT Ecole Polytechnique de Virginie (VirginiaTech) Termes de biologie moléculaire

ADN/DNA Acide Désoxyribonucléique (Désoxyribonucléique Acide)

AFLP Analyse du polymorphisme de longueur des fragments amplifiés (Amplified Fragment Length Polymorphism)

BET/EtBr Bromure d’Ethidium (Ethidium Bromide) DMSO Diméthyl Sulfoxyde

EDTA Ethylène Diamine Tetraacetic Acid

H20 Eau

HGC/CGH Hybridation génomique comparative (Comparative Genomic Hybridization) HPLC High-Performance Liquid Chromatography

ITS Internal Transcript Spacer

K.O Knock-Out

MgCl2 Chlorure de magnésium PBS Phosphate Buffer Salin

PCR Réaction en chaîne par polymérase (Polymerase Chain Reaction) PFGE Electrophorèse en champs pulsé (Pulsed-Field Gel Electrophoresis)

RAPD Amplification aléatoire d'ADN polymorphe (Random Amplified Polymorphism DNA) RAPD Amplification aléatoire d'ADN polymorphe (Random Amplified Polymorphism DNA) RFLP Analyse du polymorphisme de longueur des fragments de restriction (Random

Fragment Length Polymophism)

RFLP Analyse du polymorphisme de longueur des fragments de restriction (Random Fragment Length Polymophism)

SA Acide Salicylique (Salicylique Acid) SA Acide Salicylique (Salicylique Acid)

SNP Polymorphisme d’un seul nucleotide (Single Nucléotide Polymosphism) SNP Polymorphisme d’un seul nucleotide (Single Nucléotide Polymosphism) TAE Tris-Acétate-EDTA

TAE Tris-Acétate-EDTA

Tm Température de fusion (Temperature of melting) Tm Température de fusion (Temperature of melting)

UV Ultraviolet

UV Ultraviolet

VBNC Viable mais non cultivable (Viable But Not Culturable) VBNC Viable mais non cultivable (Viable But Not Culturable) VES (milieu) Van Elsa Smalla (milieu)

VNTR Variation du nombre de répétition en tandem (Variable Number of Tadem Repetition) Termes en interaction plante-microorganisme

Avr Avirulence

C-C Coiled-Coil

Core-TEP : Core collection de cultivars de tomate-aubergine-piment (Tomato-Eggplant-Pepper)

cv. cultivars

ECS Domaine signal de l’endocytose cellulaire (Endocytosis Cell Signaling domain) EPS Exopolysaccharides

ET3/T3E Effecteur de Type III (Type III Effector) EtHAn Effector-to-host Analyzer

ETI : Immunité déclenchée par les effecteurs (Effector-Triggered Immunity) ETS Sensibilité liée aux effecteurs (Effector-Triggered Susceptibilité) flg22 Flagellin22

FLS2 Flagellin Sensitive 2

FT/TF Facteurs de transcription (Transcription Factors) Gène R Gènes de résistance

HM1 Helminthosporium carbonum toxin reductase enzym HR Réaction hypersensible (Hypersensitive Response)

Hrp Gène associé à la pathogénicité et à la réaction hypersensible (Hypersensitive response and pathogenicity)

IP Motif d’invasion (Invasion Pattern)

IPR Récepteurs des motifs invasifs (Invasive Pattern Receptors)

IPTRs Défenses immunitaires de la plante déclenchée par les motifs invasifs (IP-triggered responses)

LPS Lipopolysaccharides

LRR Répétition riche en leucine (Leucine-Rich-Repeats) MAPK Protéines kinases (Mitogen-Activated Protein Kinases)

MLSA Analyse de séquences multilocus (MultiLocus Sequence Analysis) MLST Analyse des séquences de typage (MultiLocus Sequence Typing) NBS Site de liaison aux nucléorides (Nucleotide Binding Site) NLS Signal de localization nucléaire (Nuclear Localization Signal) NPB Non Pathogène de la Banane (Not Pathogen on Banana)

PAMP/MAMP Motifs moléculaires associés à l'agent pathogène (Pathogen/Microbial -Associated-Molecular Patterns)

PCWDE Enzyme de dégradation des parois cellulaire végétales (Plant Cell Wall Degradation Enzyme)

PEST Domain de dégradation des protéines (proline-glycine-serine-threonine) PGILPs Polygalacturonases

PRRs Récepteurs de reconnaissance de motifs (Pattern Recognition Receptors)

PTI/MTI Immunité déclenchée par les PAMPs/MAMPs(PAMPs/MAMPs-Triggered Immunity)

pv. Pathovar

PVY Virus Y de la pomme de terre (Potato Virus Y) RILs Lignées recombinants (Recombinant Imbreed Lines) RLKs Récepteur de type kinase (Receptor Like Kinase)

ROS Espèce réactive de l’oxygène (Reactive Oxygen Species) RPS4 Resistant to Pseudomonas syringae 4

RRS1 Resistance to Ralstonia solanacearum

RTBV Maladie de Tungro du riz (Rice Tungro Bacilliform Virus)

sp. Espèce (species)

SSM Glissement de la polymérase pendant la réplication (Slipped Strand Mispairing) SST1/T1SS Système de sécrétion de type I (Type I Secretion System)

SST2/T2SS Système de sécrétion de type II (Type II Secretion System) SST3/T3SS Système de Sécrétion de Type III (Type III Secretion System) SST3/T3SS Système de sécrétion de type III (Type III Secretion System) SST4/T4SS Système de sécrétion de type IV (Type IV Secretion System) SST5/T5SS Système de sécrétion de type V (Type V Secretion System) SST6/T6SS Système de sécrétion de type VI (Type VI Secretion System) ST Sequençotype (Sequence Type)

TEP Tomate-Aubergine-Poivron (Tomato-Eggplant-Pepper) TIR Récepteur de type Toll (Toll-Interleukin1-Receptor) TMV Virus de la mosaïque du tabac (Tobbaco Mosaic Virus) TrD Domain Transmembranaire (Transmembrane domain)

vir Virulence

Termes de génétique

AMOVA Analyse de la Variance Moléculaire (Analysis of Molecular Variance) BLAST Basic Local Alignment Search Tool

CC Complexe Clonaux (Clonal Complex)

DL/LD Déséquilibre de Liaison (Linkage desequilibrium) DLV Double Locus Variant

GSM Modèle de mutation pas à pas généralisé(Generalized Stepwise Mutation model)

IAM Modèle en nombre infini d’allèles (Infinite Allele Mutation model) KAM Modèle à k-allèles (K-Allele Model)

LG Groupe de liaison (Linkage Group)

MASH Homoplasie de taille moléculairement accessible (Molecularly Accessible Size Homoplasy)

MLG Génotype multi-locus (Multi Locus Genotyping)

MLVA Analyse multi-locus des répétitions en tandem (Multi Locus VNTR Analysis) MST Minimum Spanning Tree

QTLs Loci à caractère quantitatif (Quantitative Trait Loci) RST Statistique de Slatkin

SLV Single Locus Variant

SMM Modèle de mutation pas à pas (Stepwise Mutation Model) TPM Modèle de mutation en 2 phases (Two Phases Model) Autres

Coll. Collaborateur(s)

ND/NA Non disponible (Not Available) NS Non significatif (Not significant)

1

INTRODUCTION GÉNÉRALE

Aujourd’hui, notre planète compte 6,8 milliard d’êtres humains dont 860 000 souffrent de malnutrition. D’ici 2050, la FAO (Food and Agricultural Organisation) prévoient que la population mondiale dépassera 9 milliards d’êtres humains. Nourrir l’humanité apparaît alors comme l’un des enjeux majeurs de notre société actuelle. Une des pistes proposées pour pérenniser la sécurité alimentaire est l’augmentation de la productivité des cultures agricoles. Cependant l’agriculture est tributaire du changement climatique qui est notamment en train de créer des conditions propices au développement des ravageurs et des maladies des plantes dans de nouvelles régions. L’amélioration des plantes apparaît comme l’un des leviers pour atteindre les objectifs de productivité, de qualité des produits récoltés et transformés, et de résistance aux différentes contraintes biotiques. Parallèlement, elle permet aussi la mise en place de nouvelles pratiques culturales plus respectueuses de l’environnement et de la santé des consommateurs, et également d’adapter le matériel végétal à des conditions agro-climatiques variées et changeantes. Les maladies limitant fortement le potentiel de rendement et la qualité des produits agricoles, la recherche de résistances à ces maladies est donc une des préoccupations majeures du sélectionneur et du phytopathologiste. La résistance durable à une maladie est devenue un trait d’intérêt agronomique de première importance qui s’oppose à la capacité d’évolution et d’adaptation génétique des agents pathogènes. Il s’agit de limiter au maximum les risques de contournement des facteurs génétiques de résistance dans les variétés, en trouvant la meilleure stratégie de déploiement spatio-temporel des cultivars résistants pour maximiser la durabilité de la résistance. Initialement, la durabilité de la résistance était définie comme la période séparant l’introduction d’un cultivar résistant dans un agroécosystème et le moment où la fréquence de génotypes virulents atteint un seuil au-delà duquel la résistance est considérée comme « contournée » [2]. Toutefois, il est également possible de prédire cette durabilité en étudiant la biologie de l’agent pathogène considéré, plus particulièrement sa dynamique évolutive ainsi que des bases moléculaires régissant l’interaction entre ce pathogène et son hôte (gène d’avirulence vs gène R par exemple).

L’introduction bibliographique que je propose ici se focalisera dans un premier temps sur les bases moléculaires de l’interaction entre une plante hôte et son agent pathogène. Dans cette première partie, je détaillerai les grands concepts qui régissent la coévolution entre la plante hôte et son pathogène. Je présenterai ensuite les différents types de résistances des plantes et leurs impacts sur cette coévolution, avant d’aborder les stratégies de déploiement de ces résistances, et les différentes mesures de la durabilité. Dans un second temps, je m’intéresserai au potentiel évolutif de l’agent pathogène comme estimateur de la durabilité de la résistance. Je discuterai des facteurs influençant cette dynamique évolutive et des outils disponibles pour l’étudier. J’exposerai dans un dernier temps le pathosystème que j’ai étudié en me focalisant sur la biologie, la dynamique évolutive et les déterminants du pouvoir pathogène de R. solanacearum. Je terminerai par exposer l’intérêt de cette bactérie en tant que modèle d’étude des interactions plantes-microorganismes.

CHAPITRE 1 :

SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE

ET PROBLEMATIQUE DE LA

4

Figure 1. Le modèle en zigzag illustrant le système immunitaire de la plante. Phase 1: la plante détecte les MAMPs/PAMPs (« Microbe/Pathogen Associated Molecular Pattern » ; diamants rouges) via les récepteurs PRRs (« Pathogen Related Receptor ») pour déclencher la MTI/PTI (« MAMPs/PAMPs-Triggered Immunity »). Phase 2 : le pathogène va délivrer des effecteurs qui vont interférer avec la MTI/PTI ou qui vont permettre sa nutrition et sa dispersion, résultant en une sensibilité nommée ETS (« Effector-Triggered Susceptibility »). Phase 3 : un effecteur (indiqué en rouge) est reconnu par une protéine de résistance de type NBS-LRR (« Nucleotid Binding Site– Leucin Rich Repeat ») activant l’ETI (« Effector-Triggered Immunity »), une résistance de niveau plus fort que la MTI/PTI permettant la mise en place de la réaction hypersensible ou HR (« Hypersensitive Response »). Phase 4 : les agents pathogènes ayant perdu l’effecteur reconnu (en rouge) ou ayant acquis un nouvel effecteur par transfert horizontal (en bleu) sont sélectionnés, capables de supprimer l’ETI. La co-évolution va alors sélectionner les plantes présentant un nouvel allèle NBS-LRR capable de reconnaitre l’un des effecteurs néo-acquis, ce qui résultera en une nouvelle ETI. L’amplitude de la résistance est proportionnelle à [PTI – ETS+ETI]. D’après [3].

A

m

p

lit

u

d

e

d

e

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d

éf

en

se

Seuil pour une

résistance

efficace

Seuil pour la HR

Faible

Fort

Effecteurs du

pathogène

MTI

ETS

ETI

ETS

_ETI

PAMPs

MAMPs

Résistance

spécifique

Résistance

basale

Maladie

Effecteurs du

pathogène

5

SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE

1. Bases moléculaires de l’interaction hôte-pathogène

L’ensemble de la communauté scientifique s’accorde à dire que la réponse immunitaire des plantes aux agents pathogènes s’effectue en quatre phases [3]. Cependant, ce modèle a comporte un certain nombre de limites, et a été récemment remis en question [4, 5].

1.1.1. Le modèle de Jones et Dangl (2006)

1.1.1.1. Reconnaissance des motifs moléculaires associés aux microorganismes L’agent pathogène produit naturellement des molécules constitutives appelées MAMPs ou PAMPs. Ces molécules sont très conservées et présentes chez l’ensemble des microorganismes, elles sont le plus souvent impliquées dans la physiologie de l’organisme. Les principaux MAMPs/PAMPs décrits jusqu’à présent sont d’origines diverses : elles peuvent par exemple être associées au flagelle des bactéries phytopathogènes (par ex. flg22) [6], être un composant de la membrane externe des bactéries (lipopolysaccharides ou LPS, chez les bactéries gram-négatives) [7], ou encore provenir du cytoplasme des agents pathogènes (facteur d’élongation EF-Tu) [8]. Les MAMPs/PAMPs sont donc intrinsèquement difficiles à modifier et/ou à supprimer. Lors de la première phase de l’interaction entre un agent phytopathogène et sa plante hôte, les MAMPs/PAMPs sont reconnus par des récepteurs de la plante appelés PRRs (« Pathogenesis Recognition Receptors »). Cette reconnaissance, nommée PTI/MTI (« PAMPs/MAMPs Triggered Immunity »), déclenche une cascade de signalisation induisant des réactions de défense dite « défense basale » de la plante. Ces réactions incluent le dépôt de callose [9] et la production de dérivés réactifs de l’oxygène (également appelés ROS pour « Reactive Oxygen Species ») [10] dont le but final est d’inhiber la colonisation de l’hôte par le pathogène.

L’un des cas les plus étudiés illustrant ce mécanisme est celui du PAMP flg22, un épitope du flagelle bactérien [6]. Le flagelle est une structure déterminante pour la mobilité des bactéries et donc pour la pathogénicité bactérienne. La plupart des plantes reconnaissent un épitope conservé de 22 aminoacides présent en position N-terminal sur le flagelle [10]. Le récepteur responsable de la reconnaissance chez Arabidopsis thaliana, nommé Flagelin-Sensing 2 (FLS2), possède un motif extracytoplasmique riche en leucine (eLRR), un domaine transmembranaire et un domaine de type sérine-thréonine kinase [6, 11]. FLS2 reconnaît spécifiquement flg22 [6] puis se lie avec la protéine adaptatrice BAK1 via une interaction type ligand-récepteur [12, 13], et s’attache finalement avec d’autres récepteur RLKs [14]. La reconnaissance de flg22 induit des réponses immunitaires telles que la production de ROS, la phosphorylation et l’activation de protéines kinases (« Mitogen-Activated Protein Kinases » [MAPKs]) ainsi que des changements transcriptionnels [15-17]. Des orthologues

6

fonctionnels de FLS2 ont été identifiés chez Nicotiana tabacum [13] ainsi que chez Solanum lycopersicum [18].

Des travaux récents ont montré que les MAMPs n’étaient pas forcément sous pression de sélection diversifiante et que leur évolution était plus rapide qu’initialement prédit par le modèle en zig-zag [19]. En effet, les MAMPs ont initialement été décrits sur la base de leur degré de conservation entre les populations pathogènes, les mutations d’un MAMPs n’étaient par conséquent qu’occasionnellement identifiés entre microorganismes phylogénétiquement distants [19, 20]. Ainsi il a été démontré qu’une région du flagelle de Pseudomonas syringae pv. tomato (Pto), flgII-28, était sous sélection diversifiante et que ce domaine était un MAMPs important dans l’interaction Pto vs tomate [21]. Parallèlement, différents allèles de flgII-28 déclenchent une MTI variable en fonction de l’hôte fournissant un exemple de la diversification des MAMPs comme une stratégie de virulence du pathogène [19]. Ainsi la course à l’armement entre les MAMPs et les PRRs est déterminée à la fois par la présence/absence et par diversification allélique des MAMPs et des PRRs, tout comme la course à l’armement entre les ET3 et les gènes R [19].

1.1.1.2. Coévolution hôte-pathogène : la sensibilité médiée par les effecteurs (ETS pour « Effector Triggered Susceptibility»)

En réponse aux défenses immunitaires des plantes, les agents pathogènes ont évolué afin de déployer des molécules nommées « effecteurs » capables de subvertir les défenses basales mises en place lors de la PTI ; c’est la deuxième phase de l’interaction [22, 23]. Les effecteurs sont des protéines ou des composés bactériens sécrétés à l’intérieur des cellules ou dans l’espace intercellulaire (l’apoplaste) de la plante-hôte, modifiant ainsi le fonctionnement ou la structure des cellules végétales [24]. L’action des effecteurs est ambivalente : ils altèrent les fonctions cellulaires pour faciliter l’infection par l’agent phytopathogène (facteurs de virulence et toxines) mais peuvent aussi déclencher les défenses immunitaires de la plante si un ou plusieurs de leur domaine protéique sont détectés par la plante (facteurs d’avirulence et éliciteurs) [25, 26]. C’est notamment le cas de l’effecteur AvrBs3 dont un domaine est spécifiquement reconnu (avr) tandis qu’un autre contribue à la virulence [27]. Alors que certains effecteurs sont reconnus par le système immunitaire de la plante, d’autres effecteurs sont capables de supprimer la réaction hypersensible déclenchée par certaines protéines avr [24].

Ainsi, à l’issue de cette phase de l’interaction, soit la plante est sensible et les effecteurs vont permettre à l’agent phytopathogène de continuer l’interaction avec la plante hôte (« Effector Triggered Susceptibility » [ETS]), soit la plante est résistante et synthétise des protéines de défense nommées protéines de résistance (ou protéines R) reconnaissant spécifiquement les effecteurs.

7

Figure 2. Représentation des différents types de reconnaissance d’une protéine avr par une protéine R. (A) Modèle direct de reconnaissance (B) Modèle de garde où les effecteurs ont plusieurs cibles végétales (C) modèle du leurre. D’après [28].

A) Modèle

d’interaction directe B) Modèle de garde avec plusieurs cible C) Modèle du leurre

H ôt e s ans pr ot éi ne R H ôt e a ve c pr ot éi ne R

Maladie _{Maladie Maladie}

ETI ETI ETI

Effecteur Protéine R Gardée Cible non

8

1.1.1.3. Les réponses de défense spécifiques (ETI pour « Effector Triggered Immunity»)

La plupart des protéines de résistance possèdent un domaine de liaison à l’ADN de type NBS (« Nucleotide Binding Site ») ainsi qu’un domaine composé de répétitions riches en Leucine (Leugcine-Rich-Repeat, LRR) [3, 29, 30]. Lors de la troisième phase de l’interaction les effecteurs sont spécifiquement reconnus par les protéines de résistance (codées par des gènes R) qui déclenchent une réaction de défense immunitaire, l’ETI (Effector Triggered Immunity), plus intense et plus rapide que la PTI. Cette réaction est souvent caractérisée par la réaction hypersensible (HR) au niveau du site d’infection [31], assimilable à la mort cellulaire programmée chez les animaux et les humains [3]. Les premiers modèles décrivant une interaction gène R vs gène avr proposèrent une interaction directe de type protéine-protéine, ou ligand-récepteur [32] (Figure 2.A). Cette interaction directe a été démontrée de façon expérimentale pour seulement quelques modèles : entre Magnaporthe grisea et Oryza sativa (gène d’avirulence AVR-Pita vs gène de résistance Pi-ta [33]) ; entre Ralstonia solanacearum et Arabidopsis thaliana (gène d’avirulence ripP2 vs gène de résistance RRS1-R [34]) ; entre Pseudomonas syringae pv. tomato et la tomate (gène d’avirulence AvrPto vs gène de résistance Pto) ; entre Melampsora lini et le lin (gène d’avirulence AvrL567 vs gènes de résistance L5, L6 et L7 [35]) ; ou encore entre le virus de la mosaïque du tabac (« Tobbaco Mosaic Virus » [TMV]) et Nicotiana tabacum (gène p50 vs gène de résistance N [36]. Cependant, pour certains modèles, une telle interaction directe n’a pas pu être observée, comme l’illustre le cas du gène de résistance Cf-9 chez la tomate et le gène d’avirulence correspondant (AVR9) chez Cladosporium fulvum [37]. Face au manque de données sur les interactions directes, une nouvelle hypothèse a été formulée suggérant qu’une interaction gène-à-gène implique plus de deux gènes chez la plante. Le « modèle de garde » [38] propose que les protéines avr ne seraient pas les cibles directes des protéines R mais qu’une troisième molécule serait impliquée. Une première protéine de résistance agirait en tant que « gardien » en protégeant une deuxième molécule (ou molécule « gardée ») ciblée par l’effecteur, ce qui déclencherait les réactions de défense de la plante lorsque la cible est modifiée (Figure 2.B). Un autre modèle a été proposé pour l’interaction effecteur-protéine de résistance : le modèle du leurre (Figure 2.C). Une molécule de la plante, surveillée par une protéine R, mimerait la cible d’un effecteur afin de piéger l’effecteur et de déclencher les réponses de la plante lors de la perception du pathogène. Contrairement au modèle de garde, la manipulation de la cible en l’absence de la protéine R ne contribue pas à la fitness bactérienne.

Cette reconnaissance par la plante ainsi que la stratégie d’évitement de la reconnaissance par l’agent pathogène illustrent une longue coévolution entre les agents pathogènes et leurs plantes hôtes, comparable à une « course à l’armement » (ou « arm race ») [39].

9

Durant la quatrième phase de l’interaction, la pression de sélection imposée par les gènes de résistance va favoriser soit la mutation, voire la délétion de l’effecteur reconnu par la plante, soit des réarrangements intra-génétiques par recombinaison, soit la synthèse de nouveaux effecteurs ; le but final étant d’éviter une reconnaissance par les protéines de résistance. La population d’agents pathogènes devient alors hautement virulente avec ce nouvel allèle. La résistance perd alors son efficacité car elle ne permet plus de contrôler l’agent pathogène, et par conséquent son intérêt économique car celui-ci menace de décimer la culture en place [40]. Toutefois, l’augmentation de la virulence d’un agent pathogène va également entraîner de nouvelles spécificités des gènes de résistance de la plante-hôte, permettant à l’ETI de fonctionner à nouveau [3]. Si la réponse ETI est remise en place, l’agent pathogène sera reconnu, ce qui va exercer une nouvelle pression de sélection pour contourner la résistance néo-acquise.

1.1.2. Le modèle d’invasion de Cook, Mesarich et Thomma (2015)

Dans le modèle d’invasion [5], les récepteurs de la plante hôte, nommés récepteurs des motifs invasifs (IPR pour « Invasive Pattern Receptors »), détectent un ligand externe ou un ligand auto-modifié indicateur de l’invasion, appelé motif d’invasion (IP pour « Invasion Pattern », Figure 3B). Toutes les molécules peuvent être des IPs et peuvent être potentiellement reconnues par des IPRs. Cette probabilité de reconnaissance augmente avec les contraintes moléculaires pour conserver une fonction, la conservation de l’IP entre les organismes, son accessibilité et son importance dans l’interaction [5]. Ces IPs regroupent les MAMPs et les DAMPs précédemment mentionnés, ainsi que les molécules gardées modifiées [41, 42]. Les IPRs restent efficaces du moment où ils continuent à reconnaître la présence des pathogènes et élicitent une réponse immunitaire appropriée. Le modèle d’invasion différencie les IPs et les molécules conduisant à IP. En effet, certaines molécules telles que la flagelline, le facteur d’élongation EF-Tu, et la chitine contiennent des molécules perçues par l’hôte mais sont initialement impliquées dans la physiologie de l’organisme [6]. Il en est de même pour la pectine qui, une fois dégradée en oligogalacturonide, est un IP. Certaines molécules synthétisées par les agents pathogènes favorisent initialement l’infection (PCWDE, effecteurs TALs, phosphatase, toxines etc.) mais peuvent aussi contenir ou produire des IPs.

10

Figure 3. Comparaison de la vision de l’interaction plante-microorganisme entre le modèle en zigzag [3] et le modèle d’invasion [5]. (a) le modèle en zigzag est définit en terme strict. La plante perçoit (i) les

MAMPs/PAMPs (carré jaune) grâce aux PRRs, conduisant à la MTI/PTI et (ii) les effecteurs (carré rouge) grâce aux protéines R, conduisant à l’ETI. Les axes du « point de vue de la plante » et du « point de vue de l’agent pathogène » définissent les caractéristiques les plus communes aux molécules impliquées dans l’interaction. Quelques exemples de molécules perçues apparaissent illustrant le fait que certaines d’entre elles ne sont pas représentées de façon optimale dans ce schéma. (b) Le modèle d’invasion est représenté de façon similaire excepté que les molécules immunogènes sont représentées dans un continuum afin de respecter l’appartenance de ces molécules et des réponses associées à différentes catégories (réponse, signalisation etc.). Le ligand ici est défini comme un motif d’invasion (IPs pour « Invasion Pattern »), reconnu par les récepteurs de la plante (IPRs pour « IP Receptors ») conduisant aux réponses IP dépendantes (IPTRs pour « IP-Triggered Responses »). D’après [5].

Figure 4. Vison de la réponse immunitaire par le modèle d’invasion lors de l’infection par un agent pathogène. Lors de l’infection, les motifs d’invasion (IPs) sont perçus par les récepteurs de la plante (IPRs)

suscitant une réponse IPs dépendante (IPTRs). Les agents pathogènes peuvent utiliser des effecteurs pour influencer l’interaction mais si le pathogène ne réussit pas à manipuler l’IPTR, l’interaction s’arrête. Potentiellement, l’IPTR peut être supprimée (par exemple par les organismes biotrophes) ou utilisée (par exemple par les organismes nécrotrophes) pour continuer l’interaction. La suite de l’interaction ainsi que l’utilisation des effecteurs peut générer la perception des IPs par l’hôte conduisant à l’IPTR. Les évènements multiples de reconnaissance et les stratégies d’invasion de l’agent pathogène influencent l’IPTR et éventuellement résultent en la fin ou la continuation de l’interaction. D’après [5].

11

Les IPs une fois reconnus activent les défenses immunitaires de la plante (IPTRs pour « IP-triggered responses ») conduisant à un arrêt de l’interaction ou à une continuation de l’infection (Figure 4). Ces deux évènements sont médiés par trois mécanismes définis selon le « point de vue » du pathogène : (1) l’échec de la suppression de l’IPTR, (2) la suppression de l’IPTR ou (3) l’utilisation de l’IPTR. Les agents pathogènes peuvent utiliser les effecteurs pour manipuler la réponse de l’hôte et donc pour influencer l’issue de l’interaction. Les effecteurs peuvent cependant devenir des IPs et être reconnues par les IPRs, déclenchant continuellement les défenses de la plante, et peuvent conduire à l’arrêt et ou la continuité de l’interaction.

1.2. Résistance des plantes aux bio-agresseurs

La résistance des plantes aux bioagresseurs peut être définie selon trois critères établis par [43]. Le premier critère est le niveau (où l’efficacité) de la résistance, c’est-à-dire si la résistance est de type qualitative (totale) ou quantitative (partielle). Le deuxième critère est la spécificité d’hôte de cette résistance, à savoir si la résistance est à large spectre (résistance « horizontale», par exemple à plusieurs phylotypes dans le cas de R. solanacearum) ou si la résistance est phylotype/race/souche-spécifique (résistance « verticale »). Le dernier critère, la durabilité de la résistance, reste une notion assez complexe qui n’était, jusqu’à récemment, évaluée que lorsque cette résistance se trouvait contournée [1].

La résistance d’une plante se caractérise par sa capacité naturelle à stopper ou limiter le développement d’un agent phytopathogène. C’est en 1948 que Flor [44] à en premier lieu étudié simultanément la génétique de l’agent pathogène et celle de sa plante hôte. Peu de temps après, Van Der Plank [45], en 1963 a formalisé les interactions plante/microorganisme avec la description des différents types de résistance. Il émet le concept que, d’une manière générale, la plupart des plantes sont résistantes à la plupart des microorganismes phytopathogènes (interaction incompatible [45]). Ainsi, seuls quelques agents pathogènes sont capables d’infecter et de provoquer une maladie sur une plante (interaction compatible [46]). Dans ce cas d’interaction compatible et, afin de faire face efficacement aux infections des agents pathogènes, les plantes ont développé un système immunitaire dynamique composé de différentes couches du système immunitaire, illustré notamment par le système en zig-zag de [3] décrit précédemment. Plusieurs types de résistance ont été définis en fonction des caractéristiques intrinsèques de celle-ci qui, bien souvent, se recoupent. Ainsi, une résistance sera « monogénique » ou « polygénique » en fonction du nombre de gènes de résistance et/ou de QTLs (Quantitatif Trait Loci) impliqués dans la résistance. Une résistance sera qualifiée de « qualitative » ou « quantitative » en fonction de l’intensité de la résistance de la plante (totale ou partielle). Une résistance sera « hôte » (= spécifique) ou « non hôte » (= non spécifique) en fonction de sa spécificité d’hôte ainsi que de la nature des interactions plantes-microorganismes.

12

Figure 5. Différents niveaux de la résistance non-hôte des plantes face aux agents pathogènes. Lorsque les

bactéries arrivent sur la surface foliaire, elles entrent dans l’apoplase du mésophylle via les stomates ou des blessures. Après avoir eu accès au fluide apoplastique, les bactéries manipulent les cellules végétales afin qu’elles libèrent plus de nutriments permettant aux bactéries de se multiplier et éventuellement de causer de la maladie. Cependant, à cause de la résistance non hôte, tous les pathogènes ne peuvent accéder aux nutriments fournis par la plante. Le premier niveau de résistance des plantes se situe à la surface des feuilles et dans l’apoplaste, impliquant des barrières structurales préformées (cire, cuticules…) et induites (composés antibactériens). Les défenses inductibles sont mise en place lors de la perception des PAMPs et à un stade plus avancé de l’interaction lors de la reconnaissance des effecteurs bactériens. L’interaction directe entre le pathogène et les cellules de la plante initie la réaction hypersensible (HR) et/ou d’autres voies de défenses, conduisant à l’arrêt de la croissance bactérienne. D’après [47].

Fermeture des tomates

Formation des papilles

Apposition de lignine et de callose

Induction des défenses pour contenir la croissance et la multiplication du pathogène. Défenses induites et préformées pour contenir la croissance et la multiplication du pathogène.

Limitation de l’afflux des sucres dans l’apoplaste Limitation des

nutriments

Défenses préformées et induites pour contenir la croissance et l’entrée du pathogène.

Barrières physiques (cuticule, cires…)

Interaction directe avec les parois de la cellule.

Multiplication dans l’apoplaste.

Le pathogène entre par les ouvertures naturelles de la plante ou par les blessures.

13

1.2.1. Résistance non-hôte ou résistance non-spécifique

Comme vu précédemment, la plupart des plantes sont résistantes à la plupart des agents pathogènes [48]. Dans ce cas précis, on parle de résistance hôte. Bien souvent, les résistances non-hôtes sont gouvernées par une large gamme de mécanismes régulés par de multiples gènes [49]. La résistance non-hôte est mise en œuvre à plusieurs niveaux lors de l’infection par un microorganisme [50] (Figure 5).

Le premier niveau de contrôle empêche le pathogène de pénétrer dans la plante grâce aux défenses préexistantes (constitutives) de la plante [51]. Ce niveau de contrôle se situe à l’interface entre l’hôte et son environnement, c’est-à-dire sur la surface des organes cibles (feuilles, racines, tiges, etc.). Ces défenses sont composées à la fois de barrières physiques (cire, cuticule, épiderme, stomates, parois cellulaires, etc.) et de barrières chimiques (composés antimicrobiens inhibant le développement des pathogènes telles que les phytoanticipines) [52]. Le second niveau de contrôle se déroule une fois que l’agent pathogène a pénétré dans la région apoplastique afin d’y extraire les nutriments issus du métabolisme carboné [53]. Cette étape implique elle aussi des défenses préexistantes couplées à des défenses induites telles que l’apposition de callose, lignine et subérine ou la synthèse de novo de composés chimiques (phytoalexines) [54-56]. Le troisième niveau de contrôle se situe au niveau cellulaire et implique uniquement des défenses inductibles déclenchées spécifiquement par le cytosol, le noyau, la membrane plasmique ou la paroi végétale. S’ajoutent aux défenses préformées et inductibles, la perception de PAMPs (« Pathogen Associated Molecular Patterns »), renommés MAMPs (« Microbe Assocated Molecular Patterns ») [57], d’effecteurs et d’autres molécules de réponses qui seront plus amplement détaillées [15, 58]. L’additivité des défenses naturelles de la plante font de cette résistance un obstacle de taille à l’infection et la colonisation de la plante par l’agent pathogène [51].

1.2.2. Résistance hôte

Lorsque le pathogène a réussi à s’adapter et est capable de surmonter les barrières imposées par la résistance non-hôte, il se retrouve alors confronté à la résistance hôte. La résistance hôte est composée de la résistance cultivar-race spécifique, qui n’est efficace que vis-à-vis de certaines souches du parasite, et/ou de la résistance race-non-spécifique qui est efficace vis-à-vis de l’ensemble des souches connues du parasite [59].

14

1.2.2.1. La résistance hôte race-non spécifique

Ce type de résistance est, dans la plupart des cas, une résistance seulement partielle c’est-à-dire qui ne permet pas de contrôler totalement l’agent pathogène. Cette résistance est la résultante des effets additifs cumulés de plusieurs gènes à effet partiel (nommés également QTLs de résistance) [60], qui peuvent par ailleurs interagir entre eux de façon positive ou négative (effets épistatiques). Ce type de résistance, appelée encore résistance horizontale, est a priori plus durable qu’une résistance conférée par un gène majeur [61]. La raison étant principalement qu’un plus grand nombre de mutations sont nécessaires au pathogène pour contourner une résistance polygénique par rapport à une résistance monogénique [62].

De nombreuses études ont permis de démontrer le caractère quantitatif des résistances chez les plantes. Ce type de résistance se traduit par la diminution du nombre de symptômes, ce qui provoque chez l’agent pathogène une perte de performance sur une ou plusieurs composantes de son cycle de développement, allant de l’efficacité d’infection à la sporulation en passant par la période de latence. Cette résistance, qui permet en général de ralentir significativement une épidémie sans la stopper entièrement, peut néanmoins se révéler d’une efficacité presque totale quand plusieurs QTLs sont accumulés dans un même génotype, comme l’illustre le cas de la variété d’orge ‘17-5-16’ vis-à-vis de Puccinia hordei [63]. Cependant, la sélection de telles résistances polygéniques est un processus plus long, plus lourd et plus coûteux que la sélection des résistances reposant sur des gènes majeurs dominants.

1.2.2.2. La résistance hôte cultivar-race spécifique

La résistance race-spécifique est souvent conférée par un gène majeur de résistance ou gène R [64, 65]. Les gènes impliqués dans ce type de résistance sont impliqués dans une relation dite « gène-à-gène » conceptualisée par Flor en 1971 [44] (Figure 6). Le produit d’un gène de résistance interagit avec le produit d’un gène d’avirulence issu du pathogène et déclenche une cascade de signaux, qui conduit à l’activation de réactions de défense de la plante. Cette reconnaissance s’accompagne classiquement d’une réaction hypersensible (HR) qui circonscrit le pathogène à son site primaire d’infection. Ainsi, un gène bactérien reconnu sera appelé gène d’avirulence (avr) tandis qu’un gène non reconnu sera nommé gène de virulence (vir). Lorsque la réaction incompatible se produit, elle confère à la plante une résistance totale à l’agent pathogène, empêchant celui-ci de se développer [66]. Cette résistance est cependant souvent considérée comme non durable dans la mesure où l’effet du gène R peut être neutralisé par la perte de fonction du gène d’avirulence correspondant chez l’agent pathogène par simple(s) mutation(s).