DETERMINISME GENETIQUE DE LA RESISTANCE AUX

PATHOGENES

Résistance = peu ou pas de pathogène; peu ou pas de symptômes et d’effet sur l’hôte

Sensibilité = pathogène se multiplie facilement dans l’hôte, la plante hôte en est affectée (symptômes)

Agressivité tolérance

Interaction incompatible

Interaction compatible

Résistance ou le concept d’interaction compatible / incompatible

2-1 Un gène dominant ?

RR x rr

F1 Rr 100% résistants

F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles

Parents homozygotes

Rr x rr

F1 Rr rr 50% résistants 50% sensibles

F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles

Parent résistant hétérozygote

Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles :

Rr x rr

F1 Rr rr 50% résistants 50% sensibles

F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles

x

Le rétrocroisement avec le parent résistant

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

Avr1, avr2 avr1, Avr2

Génotype de l'hôte

R1 r2 Incompatible compatible

r1 R2 compatible Incompatible

Avr, gène d'avirulence; avr, gène de virulence

R, gène de résistance fonctionnel; r, non fonctionel

Nature de l'interaction

Génotype de l'agent pathogène

Types d'interactions Hôte / pathogène

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 »

‘éliciteur’, produit par le pathogène et reconnue par la plante hôte

Voie de transduction de signaux

Gène Avr

Pathogène

Hôte

Gène R

‘récepteur’

Membrane plasmique, cellule hôte

Cytoplasme

Mbne plasmique

4 à 5 classes de gènes codant pour des protéines type R

Domaines TIR

NBS

LRR

RPS2Mi

LZ

NL6

Intracellular receptors

Cf

Recepteur LRRApoplasme

Ser/thr kinase

Domaine NBS

Xa21

Recepteur Kinase

Pto

Kinase

Environ 200 gènes de R dans le génome d'Arabidopsis (0.5-1% des gènes)

Arrangement en clusters

Résistance aux virus (poivron), nématodes (pomme de terre) et champignons (tomate)

Résistance Virus, oomycètes (tomate), champ et nématodes (P de T), champ et virus (poivron)

Conservation des positions des ‘clusters’ de gènes R mais pas de conservation sur la spécificité biologique (résistance à un type de pathogène)

2-2 Un gène récessif ?

ss x SS

F1 Ss 100% sensibles

F2 ¼ SS ½ Ss ¼ ss ¼ résistants ¾ sensibles

Parents homozygotes

sensiblerésistant

ss x Ss

F1 Ss ss 50% sensibles 50% résistants

F2 ss 100% résistants

Parent sensible hétérozygote

résistant sensible

= résistants

Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles :

ss x Ss

F1 Ss ss 50% sensibles 50% résistants

résistant sensible

F2 ss 100% résistants

x

Le rétrocroisement avec le parent résistant

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

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

Cas du facteur d’initiation de la traduction, eIF4E : gène de résistance récessif aux potyvirus

eIF4G

eIF4E eIF4AComplexeeIF4F

= complexe d’initiation de la traduction des protéines cellulaires

Interaction diff. protéines dont eIF4A, eIF4E et PABP

eIF4G

eIF4E 4A

PABP

eIF3

Petite sous-unité ribosome 40Scoiffe

polyA

eIF4E place le complexe d’initiation sur la région 5’UTR de l’ARNm et eIF3 place le ribosome en amont de l’AUG

eIF4GeIF4E

4AeIF3

m7GAUG

AAA

eIF4GeIF4E

4AeIF3

m7GAUG

AAA40S

4APABP

eIF4E eIF3m7G 40S

AAA

4APABP

eIF4E eIF3m7G

AAA

60S

40S

60S

4APABP

eIF4E eIF3m7G

40S

AAA

Protéine de novo

Sensibilité de la plante hôte aux potyvirus par détournement ducomplexe d’initiation de la traduction

4APABP

eIF4E eIF3

40S

AAA

AAA

60S

4APABP

eIF4E eIF340S

Protéines virales de novo

4APABP

eIF4E eIF3

AAA

60S

40S

VPgAAA

ARN viral code pour une polyprotéine, comprend une protéine analogue de la coiffe en 5’ (VPg) et une queue de polyA en 3’

Synthèse des protéines virales par le complexe cellulaire

Résistance récessive s’explique lorsque le virus ne peut plus recruter le complexe cellulaire pour la traduction de ses propres protéines

4AeIF4G

eIF4E eIF3

eIF4E Gène codant pour la protéine eIF4E (ou son isoforme) muté au niveau des sites d’interaction avec la VPg

m7GAUG

AAA

Synthèse des protéines cellulaires

VPgAAA

Pas de synthèse des protéines virales

3- Résistance aux pathogènes : déterminisme complexe

• Résistance contrôlée par plusieurs gènes avec des variations quantitatives ~ quantitative trait loci (QTL)

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.

QTL * À effet additif

Répond à une loi normale

Fréquence

Valeur du caractère

1

2

3

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

* À effet épistasique

QTL

+ ou -Ne répond pas à une loi normale

Ou l’écart à la normalité ……

Valeur du caractère

Fréquence

Epistasie engendre des ratios phénotypiques modifiés

9 3 3 1 Ratio phénotypique A - B - A - bb aa B - aa bb attendu

Aucune (4 phénotypes distincts) 9 3 3 1 9:3:3:1

Complémentarité entre A et B 9 9:7

Suppression dominante par A de l'allèle dominant B 3 1 13:3

Epistasie récessive de aa sur les allèles B et b 9 3 9:3:4

Epistasie dominante de A sur les allèles B et b 3 1 12:3:1

Gènes dupliqués 1 15:1

Type d'interaction

15

12

12

7

4

Evolution des gènes de R :

une course entre la plante et le

pathogène (coévolution)

Avr1, avr2 avr1, Avr2

Génotype de l'hôte

R1 r2 Incompatible compatible

r1 R2 compatible Incompatible

Avr, gène d'avirulence; avr, gène de virulence

R, gène de résistance fonctionnel; r, non fonctionel

Nature de l'interaction

Génotype de l'agent pathogène

Types d'interactions Hôte / pathogène

Pathogène P1 infecte l’hôte B mais pas A

BA

Hôte

P1 P2 Pathogène

Pathogène P2 infecte l’hôte A mais pas B

Plusieurs gènes de résistance possibles, distincts, chacun entraînantune 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)

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

Le test d’allélisme

R1R1 x R2R2

Un gène ou deux gènes distincts ?

R1R1 x R2R2

R1 = R2

F1 R1R2

R1R1 ¼ résistants P1

R1R2 ½ résistants P1 et P2

R2R2 ¼ résistants P2

F2

R1 = R2

R1r1R2r2

9/16 résistants P1 et P2

3/16 résistants P2, sensibles à P1

3/16 résistants P1, sensibles à P2

1/16 sensibles à P1 et P2

Test d’allélisme

Test important et indispensable dans le cadre d’une gestiondurable de la résistance (cumul des résistances)

5- LE MARQUAGE DES GENES / QTL MAJEURS

- Les lignées (quasi)isogéniques

- La BSA (Bulk Segregant Analysis)

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

R D R’ R D R’ R D R’

marqueur A B C

Locus marqueur C lié au gène introduit à partir de D

F1

F2

LR

ParentsX

La BSA

A A BB A B A BA B

… plus recombinants sensibles

A

B

A0

B0

A

B

RR

Bulk résistant Bulk sensible

F2

rr

… plus recombinants résistants

Rr

A

B B0

F1A0

autofécondation

A

B

A0

B0 R = gène majeurX

Le marqueur A est lié au caractère qualitatif évalué mais pas B

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.

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

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

GénotypagenaL1240mga

b45

P 3x

mo

va30

Pac10nb

X

sensible résistant

QTL

1 2

mga1/mga1 mga2/mga1 mga2/mga2

Exemple génotypage

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

Différences significatives =Association entre les marqueurs mga, P3x et le caractère quantitatif étudié

Différences non significatives =Non association entre les marqueurs b45, mo … et le caractère quantitatif étudié

Individus F2

Détection de QTL marqueur par marqueur

Détection de QTL marqueur par marqueur : simple mais problème si faible densité de marqueurs sur la carte génétique ….

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

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 …

Cartographie fine des QTLs

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 de QTLs

1

2

3

45

67

Marqueurs moléculaires

PhénotypeS1, S2

S1, R2S1, R2

S1, S2R1, R2

R1, S2QTL1 se place entre m1 et m2QTL2 entre m5 et m6

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

F1F2

Puis autofécondations / backcross à partir chaque individu F2

X

sensible résistantA B

QTL1

QTL2

R1, R2S1, S2

Lignées recombinantes, (quasi)isogéniques

Lignées I II III IV V VI