DETERMINISME GENETIQUE DE LA RESISTANCE AUX PATHOGENES

1. DETERMINISME GENETIQUE DE LA RESISTANCE AUX PATHOGENES

2. Résistance ou le concept d’interaction compatible / incompatible Interaction incompatible Résistance = peu ou pas de pathogène; peu ou pas de symptômes et d’effet sur l’hôte Agressivité tolérance Sensibilité = pathogène se multiplie facilement dans l’hôte, la plante hôte en est affectée (symptômes) Interaction compatible

3. Parents homozygotes RR x rr 100% résistants F1 Rr F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles Parent résistant hétérozygote Rr x rr 50% résistants 50% sensibles F1 Rr rr F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles 2-1 Un gène dominant ?

4. Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles : Le rétrocroisement avec le parent résistant Rr x rr 50% résistants 50% sensibles F1 Rr rr x F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles

5. = Résistance spécifique ou verticale fait intervenir deux facteurs, l’un de l’hôte (‘R’), l’autre du pathogène (Avr)

7. Pathogène Gène Avr ‘éliciteur’, produit par le pathogène et reconnue par la plante hôte Membrane plasmique, cellule hôte ‘récepteur’ Gène R Voie de transduction de signaux Hôte Résistance ou interaction incompatible liée à la reconnaissance précoce et l’interaction entre le produit du gène R et le produit du gène d’avirulence ~ modèle « éliciteur / récepteur »

8. Recepteur LRR Recepteur Kinase Apoplasme Domaine NBS Domaines TIR LZ Cf Ser/thr kinase NBS Xa21 Pto Kinase LRR RPS2 Mi N L6 Intracellular receptors 4 à 5 classes de gènes codant pour des protéines type R Mbne plasmique Cytoplasme

9. Arrangement en clusters Environ 200 gènes de R dans le génome d'Arabidopsis (0.5-1% des gènes)

10. Résistance Virus, oomycètes (tomate), champ et nématodes (P de T), champ et virus (poivron) Résistance aux virus (poivron), nématodes (pomme de terre) et champignons (tomate) Conservation des positions des ‘clusters’ de gènes R mais pas de conservation sur la spécificité biologique (résistance à un type de pathogène)

11. Parents homozygotes ss x SS résistant sensible 100% sensibles F1 Ss F2 ¼ SS ½ Ss ¼ ss ¼ résistants ¾ sensibles Parent sensible hétérozygote ss x Ss résistant sensible 50% sensibles 50% résistants F1 Ss ss F2 ss 100% résistants 2-2 Un gène récessif ? = résistants

12. x F2 ss 100% résistants Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles : Le rétrocroisement avec le parent résistant ss x Ss résistant sensible 50% sensibles 50% résistants F1 Ss ss

13. Résistance = Perte d’une fonction de l’hôte impliquée dans une interaction spécifique avec un facteur du pathogène Résistance = Absence / suppression de cet inhibiteur du système de défense de la plante hôte Résistance monogénique récessive • Résistance liée à la perte d’un facteur de sensibilité chez la plante hôte >>> facteur eIF4E • Produit de l'allèle de sensibilité (dominant) est un régulateur négatif des mécanismes de défense >>> mlo

14. Interaction diff. protéines dont eIF4A, eIF4E et PABP Complexe eIF4F = complexe d’initiation de la traduction des protéines cellulaires polyA PABP eIF4G eIF4E eIF3 4A Petite sous-unité ribosome 40S coiffe Cas du facteur d’initiation de la traduction, eIF4E : gène de résistance récessif aux potyvirus eIF4G eIF4E eIF4A

15. eIF4G 4A eIF4E AUG eIF3 m7G AAA eIF4E place le complexe d’initiation sur la région 5’UTR de l’ARNm et eIF3 place le ribosome en amont de l’AUG eIF4G 4A eIF4E AUG eIF3 AAA m7G 40S 60S AAA AAA PABP PABP AAA 40S PABP 4A 40S 4A 4A eIF4E 60S eIF3 eIF4E eIF3 m7G eIF4E m7G eIF3 40S m7G Protéine de novo

16. ARN viral code pour une polyprotéine, comprend une protéine analogue de la coiffe en 5’ (VPg) et une queue de polyA en 3’ AAA 60S PABP AAA PABP AAA 40S 4A PABP eIF4E eIF3 4A 40S 40S 4A VPg eIF4E 60S eIF3 AAA eIF4E eIF3 Protéines virales de novo Synthèse des protéines virales par le complexe cellulaire Sensibilité de la plante hôte aux potyvirus par détournement du complexe d’initiation de la traduction

17. Résistance récessive s’explique lorsque le virus ne peut plus recruter le complexe cellulaire pour la traduction de ses propres protéines eIF4E Gène codant pour la protéine eIF4E (ou son isoforme) muté au niveau des sites d’interaction avec la VPg eIF4G eIF4E 4A eIF3 AUG AAA m7G VPg AAA Synthèse des protéines cellulaires Pas de synthèse des protéines virales

18. Il existe en général des différences importantes dans la sensibilité (effets quantitatifs). Plusieurs locus en ségrégation influencent la variation du caractère, à laquelle des effets de milieu peuvent également contribuer. 3- Résistance aux pathogènes : déterminisme complexe • Résistance contrôlée par plusieurs gènes avec des variations quantitatives ~ quantitative trait loci (QTL)

19. Plusieurs régions génomiques, indépendantes, mais la somme de leurs effets explique le phénotype (résistance) 1+2+3>>> 1+2 >>1 ou 2 ou 3 seuls Répond à une loi normale Fréquence Valeur du caractère QTL 1 3 * À effet additif 2

21. QTL Ou l’écart à la normalité …… Ne répond pas à une loi normale Fréquence Valeur du caractère * À effet épistasique + ou -

22. Epistasie engendre des ratios phénotypiques modifiés

23. Evolution des gènes de R : une course entre la plante et le pathogène (coévolution)

24. P1 P2 Pathogène Hôte A B Pathogène P1 infecte l’hôte B mais pas A Pathogène P2 infecte l’hôte A mais pas B Plusieurs gènes de résistance possibles, distincts, chacun entraînant une résistance verticale à un pathotype donné du même pathogène Exemple résistance à la rouille foliaire chez le blé peut impliquer jusqu’à 50 gènes R (Lr) différents (Feuillet et al., PNAS, 2003)

25. Le test d’allélisme R1R1 x R2R2 Gènes de résistance différents car : - Propriétés biologiques différentes (résistance à des pathotypes différents) ET - Gènes de résistance appartiennent à des locus différents, ou au même groupe de gènes (cluster) mais ce sont des gènes de résistance différents, ou même gène de résistance mais avec des variations allèliques expliquant les propriétés biologiques différentes Un gène ou deux gènes distincts ?

26. R1 = R2 R1 = R2 F1 R1R2 R1r1R2r2 9/16 résistants P1 et P2 R1R1 ¼ résistants P1 3/16 résistants P2, sensibles à P1 F2 R1R2 ½ résistants P1 et P2 3/16 résistants P1, sensibles à P2 R2R2 ¼ résistants P2 1/16 sensibles à P1 et P2 Test important et indispensable dans le cadre d’une gestion durable de la résistance (cumul des résistances) Test d’allélisme R1R1 x R2R2

27. 5- LE MARQUAGE DES GENES / QTL MAJEURS - Les lignées (quasi)isogéniques - La BSA (Bulk Segregant Analysis)

28. Parents X F1 F2 marqueur A B C LR Locus marqueur C lié au gène introduit à partir de D R D R’ R D R’ R D R’ Lignées quasi-isogéniques = Lignées qui ont le même génotype, à l’exception d’un locus qui a fixé des allèles différents ou fixation des recombinaisons à l’état homozygote

29. A0 A X R = gène majeur B0 B A0 A F1 autofécondation B B0 Bulk résistant Bulk sensible A A A0 … plus recombinants sensibles … plus recombinants résistants F2 B0 B B Rr RR rr A B A B A B A B A B Le marqueur A est lié au caractère qualitatif évalué mais pas B La BSA

30. On recherche, par analyse de variance ou test de Student, une relation entre le génotype de chaque locus marqueur et la valeur du caractère quantitatif étudié 6- La cartographie de locus contrôlant la variation des caractères quantitatifs fondée sur la recherche de déséquilibres de liaisons entre locus marqueurs (moléculaires pplment car n’interfèrent pas avec le caractère quantitatif et peuvent saturer le génome) et locus contrôlant les caractères quantitatifs.

31. Pour cartographier des QTLs, il faut : 1) Disposer d’une descendance en ségrégation (pour avoir une relation entre déséquilibre de liaison et distance génétique) 2) « Génotyper » l’ensemble des individus de la descendance 3) Mesurer la valeur du caractère quantitatif pour tous les individus de la descendance 4) Analyse statistique pour rechercher les locus marqueurs dont le génotype est corrélé au caractère

32. QTL X 1 2 sensible résistant Différences significatives = Association entre les marqueurs mga, P3x et le caractère quantitatif étudié Individus F2 Génotypage na L1240 mga P 3x b45 Différences non significatives = Non association entre les marqueurs b45, mo … et le caractère quantitatif étudié mo va30 Exemple génotypage Pac10 nb mga1/mga1 mga2/mga1 mga2/mga2 On effectue une moyenne de chaque classe pour le caractère quantitatif étudié et une analyse de variance pour rechercher s’il y a des différences significatives entre ces moyennes Détection de QTL marqueur par marqueur

33. Détection de QTL à partir de plusieurs marqueurs ou Cartographie d’intervalle Teste la présence d’un QTL dans un intervalle entre deux marqueurs par le calcul du LOD score = logarithme décimal du rapport de vraisemblance ou probabilité de présence d’un QTL sur un intervalle sur la probabilité de l’absence de ce QTL Détection de QTL marqueur par marqueur : simple mais problème si faible densité de marqueurs sur la carte génétique …. Ex: LOD 2 signifie que la présence d’un QTL en un point donné est 100 fois plus probable que son absence; LOD 3 = 1000 fois …

34. Effectif des descendances classiquement utilisées ne permettent pas une précision de la position des QTL inférieure à 15-20 cM (> centaines de gènes). Cartographie fine des QTLs

35. QTL1 F1 X F2 QTL2 Puis autofécondations / backcross à partir chaque individu F2 A B S1, S2 R1, R2 sensible résistant Lignées recombinantes, (quasi)isogéniques Lignées I II III IV V VI Marqueurs moléculaires 1 2 3 4 5 6 7 QTL1 se place entre m1 et m2 QTL2 entre m5 et m6 Phénotype Si on augmente le nombre de lignées analysées et le nombre de marqueurs placés (donc le nombre d’événements de recombinaison observés), on affine la position des QTLs S1, S2 S1, R2 R1, R2 S1, R2 S1, S2 R1, S2 Cartographie fine de QTLs