La résistance aux pathogènes du point de vue de la génétique

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1 La résistance aux pathogènes du point de vue de la génétique Résistance non-hôte. Tous les génotypes d une espèce donnée sont résistants à toutes les génotypes (souches) d un pathogéne donné. Il n est pas possible de procéder à l analyse génétique de ces résistances puisqu il n y pas de variabilité intraespèce. C est le cas le plus fréquent des interactions biotiques: la plupart des espèces sont résistantes (non-hôte) à la plupart des pathogénes, l infection est l exception.. Résistance hôte Le pathogéne est capable d infecter l espéce mais certains génotypes (aussi appelés: cultivars, écotypes, variétés) sont résistants. On peut donc procéder à une analyse génétique de la résistance qui peut amener à la compréhension de ses mécanismes L analyse génétique des résistances hôtes montre deux types de déterminismes: i. Résistance horizontale De nombreux génes sont impliqués dans la résistance (résistance polygénique). A l extrême peut se rapprocher de la résistance non-hôte ii. Résistance verticale Un géne unique, en général dominant confére une résistance trés spécifique. Ces résistances sont trés manipulables pour l amélioration des plantes pour développer de nouveaux génotypes résistants. 1

2 Dans la résistance hôte il existe des génotypes du pathogéne qui différent dans leur capacité a infecter la plante La maladie est le résultat d une interaction compatible entre l hôte et le pathogéne Le pathogéne est virulent et l hôte est susceptible L absence de maladie est le résultat d une interaction incompatible entre l hôte et le pathogéne Le pathogéne est avirulent et l hôte est résistant Le concept de relation géne à géne (Flor, 1942 étudiant le pathosystéme Lin/rouille du lin À un géne de résistance de l hôte correspond un géne d avirulence du pathogéne, la reconnaissance du gène avr du pathogéne par le gène R de la plante donne une relation incompatible (avirulente). Les bases moléculaires identifiées à partir de 1990 (nature des génes de résistance et d avirulence). 2

3 Classification par pathogénicité Chez les champignons les isolats présentant les même symptômes sur un ensemble de génotypes de plantes sont appelées des races -> relation race/cultivars (on parle de pathovars/races pour les bactéries et de pathotypes chez les virus) Isolets du pathogéne Hôte(e.g., Lin) (e.g., rouille fongique) Cultivar 1 Cultivar 2 Cultivar 3 Cultivar 4 Isolat Isolat Isolat Isolat Isolat même Race (+) = maladie (compatible); (-) = pas de maladie (incompatible) La résistance hôte se manifeste souvent par une Réaction Hypersensible (Hypersensitive Reaction, HR) Réaction de défense violente, mort cellulaire localisée, qui confine le pathogène au point d infection -épaississement des parois (lignification) -production de protéines de défense (PR protéines) - production de composés toxiques (phytoalexines) - espéces actives d oxygéne: H2O2, propagation systémique de signaux de défense a la plante 3

4 Identification d un gène d avirulence bactérien 4

5 Des produits directs ou indirects des génes d avirulence des pathogènes activent la HR, produit du gene Avr9 Cladosporium fulvum (gène R: Cf-9 tomate) Syringolide synthétisé par l enzyme produit du gène AvrD Pseudomonas syringae Gène R: Rpg4 soja Pourquoi les pathogénes ont ils encore des génes d avirulence? 1: les génes d avirulence peuvent être nécessaires à la survie dans l hôte. En effet, si on infecte une plante dépourvue du gèner reconnaissant un gène Avr, le mutant avr- se multiplient moins que le sauvage Avr+ 2: Les génes Avr sont des composants de la pathogénicité 3: Les effecteurs transitant par les systèmes de secrétion bactériens de type III sont des produits des gènes Avr 5

6 Les produits des génes Avr sont le plus souvent directement impliqués dans la pathogénicité Buttner and Bonas EMBO J Identification du premier géne de Résistance: le géne N du tabac (Baker and coll, 1995) Le géne N ne fonctionne qu au dessous de 25 C Transformation d un tabac (homozygote NN) avec le transposon Ac du Maïs puis croisement avec un homozygote nn -> production d une population héterozygote Nn (un seul gène N fonctionnel) -> inoculation de plantes filles ( tous hybrides Nn) portant Ac avec le TMV a 30 C -> le virus se propage dans toute la plante sans développer de HR -> passage des plantes a 21 C -> toutes les plantes qui ont un géne N fonctionnel subissent une HR généralisée et létale -> seules celles qui ont une insertion de transposon dans N survivent -> clonage de N avec le transposon comme sonde N Ac 6

7 transfert du gène N (résistance au TMV) du tabac à la tomate non infecté Wt infecté Structure des protéines codées par les gènes de Résistance domaine LRR: reconnaissance entre protéines Toll identifié comme responsable de la perception des pathogènes chez la drosophile en 1996 (J. Hoffmann Nobel 2011) -> Toll-like receptors de l immunité innée des animaux 7

8 les domaines LRR sont utilisés dans la réponse de défense chez les plantes et les animaux. Aussi utilissé dans la réception de signaux de développement Clavata/méristéme Toll/embryogenése drosophile. Ancêtre unicellulaire -> défense fonction primitive? ou évolution convergente d un module de reconnaissance ancestral (voir revue Ausubel, 2005) Des génes R reconnaissent aussi des aphides et des nématodes (vecteurs de pathogénes) 8

9 Les gènes de Résistance sont organisés en clusters Les clusters de gènes à domaine LRR permettent une évolution rapide Différents types de recombinaisons génétiques à l'origine de la multiplication et de la diversification des gènes de résistance dans les populations de plantes ~125 genes R potentiels dans le génome d Arabidopsis ~600 dans le génome du riz (~15 Toll-like receptors chez les mammiféres) 9

10 Coévolution des gènes de résistance, de virulence et d'avirulence. D autres protéines sont nécessaires à l établissement de la résistance, des voies différentes sont utilisées suivant la nature des gènes R Mais elles convergent a la protéine NPR1 Similaire à lipase => Signalisation par molécules dérivées de lipides?? 10

11 La reconnaissance des pathogènes est suivie d une signalisation intracellulaire complexe qui conduit à la HR Les formes activées d oxygène (ROS) sont impliquées dans la résistance Cinétique de production d H 2 O 2 11

12 Les protéines PR (pathogenesis related) - Définition: fortement induites lors des réactions incompatibles (HR) - Fonctions multiples - Chitinases, Glucanases, inhibiteurs de protéases, protéines inhibitrices des ribosomes, lipoxygenases etc.. Pathogens associated molecular patterns (PAMPs) Et Microbes Associated Molecular Patterns (MAMPs - En plus de la reconnaissance spécifique d effecteurs de la pathogénicité menant à la HR, les plantes reconnaissent des composants génériques des pathogénes (PAMPs) ou des nonpathogènes (MAMPs) qui activent les réactions de défense soit durant les réactions compatibles, soit en présence de MOO nonpathogénes. - Dérivés de la paroi des champignons: glucanes, protéines, lipides (stérols) - Protéines bactériennes: flagellines, Translation Elongation factor Tu (EFTu, protéine bactérienne la + abondante, 5%) - Ne conduit pas a la HR mais a une activation des résistances basales 12

13 Les protéines reconnaissant les MAMP/DAMP sont analogues a celles reconnaissant les facteurs de virulence. On les appelle PRR (Pattern recognition receptors) Des récepteurs des PAMPs/MAMP/ DAMPs existent chez tous les eucaryotes-> Immunité innée chez les vertébrés Exemple flagelline Ce n est pas le même motif qui est reconnu Evolution indépendante Le motif de la flagelline qui est reconnu est interne > reconnaissance de bactéries lysées durant l infection EFTu: interne ou externe suivant les bactéries 13

14 Tentative de synthèse Reconnaissance des éléments conservés des pathogènes et des nonpathogènes (PAMPs, MAMPs)-> activation des défenses générales- > PAMP triggered immunity=pti Certains pathogènes arrivent à désactiver la PTI grâce a la production d effecteurs spécialisés- > Effector Triggered susceptibility =ETS La reconnaissance de ces effecteurs par des protéines NB-LRR conduit à la résistance (souvent par Hypersensitive Reaction =HR) - > Effector Triggered Immunity= ETI Revue Jones et al, 2006 online Une vue évolutive de la reconnaissance des PAMP et des effecteurs de la HR En phase 1, la plante détecte les PAMPs/MAMPs pour activer la PTI (PAMP triggered Imunity) En phase 2, la sélection favorise certains pathogènes qui produisent des effecteurs interférant avec la PTI ou permettent un meilleure nutrition ou dispersion (facteurs de virulence) conduisant à l ETS (effectortriggered susceptibility). En phase 3 la sélection favorise les plantes qui possédent une protéine NB-LRR reconnaissant un effecteur particulier ( rouge) pour activer une version amplifiée de la PTI qui peut amener a une réaction hypersensible (HR). En phase 4, les isolats du pathogènes qui ont perdu l effecteur rouge (ou gagné d autres effecteurs inactivant la HR) sont sélectionnés. La sélection favorise aussi les plantes qui acquiérent de nouvelles reconnaissances NB-LRR 14

15 Modèle quantitatif d activation de la résistance Tao Y, Xie Z, Chen W, Glazebrook J, Chang HS, et al Quantitative nature of Arabidopsis responses during compatible and incompatible interactions with the bacterial pathogen Pseudomonas syringae. Plant Cell 15: Les gènes R reconnaissent ils toujours directement les effecteurs de la pathogénicité?? Les protéines AvrRpm1 et AvrB de P. syringae n ont aucune similarité et déclenchent la HR chez les plantes ayant le gène R RPM1!!? Pas d évidence d interaction directe R/Avr (dans ce cas) Il existe un autre gène RIN4 dont le produit interagit avec AvRpm1 et AvrB d une part et avec RPM1 de l autre la mutation de RIN4 produit une augmentation de la résistance générale aux pathogènes. hypothèse: RIN4 régule négativement la résistance (inutile sans pathogène) et les produits des gènes Avr empêchent sa désactivation (=>rôle d Avr dans la virulence): RPM1 surveille le bon fonctionnement de RIN4 15