Protéines effectrices de virulence des nématodes à galles : acteurs clés du parasitisme : Analyse fonctionnelle et interactions protéine-protéine avec la plante hôte

Root-knot nematode effectors : key actors of parasitism : functional analysis and protein-protein interaction with host plants

• Auteur / Autrice : Maira Grossi De Sa
• Direction : Diana Fernandez, Florence Vignols
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanismes des Interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions plantes microorganismes environnement (Montpellier ; 2011-2020)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Gantet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diana Fernandez, Florence Vignols, Pascal Gantet, Martina Rickauer, Godelieve Gheysen, Janice de Almeida-Engler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martina Rickauer, Godelieve Gheysen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions protéine-protéine

Riz

Arabidopsis thaliana

Meloidogyne

Protéines

Mots clés libres

Protéines effectrices

Protéines Hubs

M. javanica

M. incognita

Riz

Arabidopsis thaliana

M. incognita

Effectors

Hub proteins

M. javanica

Rice

Arabidopsis thaliana

Résumé

Les nématodes à galles (RKN), Meloidogyne spp. sont des petits vers parasites qui infectent les racines des plantes où ils induisent la formation de sites nourriciers. Les RKN sont des endoparasites à large gamme d'hôtes, englobant les principales espèces de plantes cultivées. Meloidogyne javanica, M. graminicola et M. incognita sont les principales espèces parasitant le riz (Oryza sativa). Le succès infectieux des RKN repose sur la production de protéines effecteurs de virulence, secrétées dans leurs glandes oesophagiennes et libérées dans les cellules de la plante hôte par leur stylet. La caractéristique principale des RKN est leur capacité à déréguler des cellules du parenchyme vasculaire pour induire la formation de cellules géantes multinucléées, à haute activité métabolique. Les processus moléculaires sous-jacents restent encore mal connus, alors que l’identification d’effecteurs de virulence et de leurs cibles végétales pourrait fournir de nouvelles perspectives pour le contrôle des RKN. Ainsi, les objectifs de cette étude étaient (1) d’évaluer le rôle de protéines de Meloidogyne sécrétées (MSP) au cours des interactions riz - RKN et (2) d'identifier des cibles des MSP parmi les principales protéines Hub d’Arabidopsis thaliana impliquées dans l'immunité des plantes, afin d'évaluer la fonction putative des MSP dans les cellules hôtes. Pour la première partie de notre étude, nous avons sélectionné trois MSP exprimées dans les glandes oesophagiennes et possiblement sécrétées. L’analyse de l’expression des gènes par RT-qPCR a montré que MSP2 est fortement exprimé dans les premiers stades du cycle du nématode, tandis que MSP18 et MSP19 sont activés au cours du parasitisme dans les racines du riz. Les essais de localisation subcellulaire dans les cellules d'oignon ont identifié le noyau (pour MSP2) et le cytoplasme (pour MSP7 et MSP18) comme compartiments cellulaires ciblés par les protéines du nématode. Des plants de riz (O. sativa Nipponbare) transgéniques ont été produits pour évaluer le rôle des MSP au cours des interactions riz-RKN. Des lignées de riz surexprimant MSP18 ont permis un taux de reproduction plus élevé de M. javanica et M. graminicola. Au contraire, des retards de développement et de reproduction de M. javanica ont été observés sur des lignées de riz exprimant des micro-RNAs capables de supprimer l’expression des gènes MSP2 ou MSP19. Ces données ont montré que MSP2, MSP18 et MSP19 peuvent être des gènes importants pour le parasitisme ou le développement du nématode. Les tests d'expression transitoire dans le tabac (Nicotiana benthamiana) ont montré que MSP18 peut interférer avec la mort cellulaire programmée déclenchée par INF1, ce qui suggère que MSP18 pourrait supprimer les voies de défense des plantes pour faciliter l’infection. Dans une deuxième partie de ce travail, des analyses systématiques en double-hybride chez la levure ont été menées pour vérifier les interactions protéine-protéine entre 6 MSP et 18 protéines Hub d’A. thaliana. Chez la levure, la protéine du nématode MSP400 interagit avec trois protéines Hub, l’Anaphase-Promoting-complex 8 (At-APC8) et les facteurs de transcription At-TCP14 et At-TCP15. L'interaction physique de MSP400 avec At-APC8, un régulateur clé du cycle cellulaire de la plante, a été confirmée in planta par complémentation bimoléculaire de fluorescence (BiFC). Ces résultats démontrent pour la première fois qu'un effecteur de nématode est capable d'interagir directement avec une protéine régulatrice du cycle cellulaire chez la plante, révélant un nouveau mécanisme utilisé par les RKN pour commander la machinerie du cycle de la cellule hôte et induire ainsi la formation du site d'alimentation. Les données obtenues dans cette étude élargissent considérablement notre connaissance des acteurs moléculaires qui contribuent à la pathogénicité des nématodes, mettant en évidence les différents mécanismes exploités par les RKN pour promouvoir la sensibilité des plantes.

Root-knot nematodes (RKN), Meloidogyne spp. are small parasitic worms that infect plant roots where they induce the formation of highly specialized nutrient feeding sites. RKN are endoparasites with a wide host range encompassing major plant crops, impairing effective specific control. Meloidogyne javanica, M. graminicola, and M. incognita are the principal RKN species responsible for rice (Oryza sativa) production losses. Successful plant infection is likely achieved by nematode effector proteins produced in their esophageal gland cells and released into the host plant cells through their stylet. In particular, one of the striking features of RKN is their ability to deregulate vascular parenchyma cells to induce the formation of multinucleated giant cells with a high metabolic activity in the roots. The molecular processes underlying plant-RKN interactions still remain poorly understood. Identification of nematode virulence effectors and their plant targets may provide new insights for developing control strategies towards RKN. Thus, the aims of this study were to (1) assess the role of Meloidogyne secreted proteins (MSP) in rice – RKN interactions and (2) identify MSP targets among the major Arabidopsis thaliana Hub proteins involved in plant immunity, to assess the putative MSP function into host cells. For the first part of our study, we selected three Meloidogyne-genus specific proteins expressed in esophageal glands and predicted to be secreted. Gene expression analysis by RT-qPCR showed that MSP2 is highly expressed in the early stages of the nematode cycle, while MSP18 and MSP19 are up-regulated during parasitism in rice roots. Subcellular localization assays in onion cells identified the nucleus (for MSP2) and cytoplasm (for MSP7 and MSP18) as the main cellular compartments targeted by nematode proteins. Transgenic rice (O. sativa Nipponbare) plants expressing the MSP cDNAs or artificial micro-RNAs (amiRNAs) able to silence MSP genes were used to assess the role of MSPs during rice-RKN interactions. Homozygous transgenic lines were inoculated with pre-parasitic juveniles (J2) and (i) the number and developmental stage of nematodes present in roots after 21 days, (ii) the number of egg masses laid after 28 days and, (iii) the number of next-generation hatched J2 after 45 days were assessed. Rice lines overexpressing MSP18 allowed a higher reproduction rate of M. javanica and M. graminicola. On the contrary, impaired M. javanica development and reproduction was observed in rice lines expressing amiRNAs against MSP2 or MSP19 genes. These data showed that MSP2, MSP18, and MSP19 genes might be important genes for nematode parasitism or development. Transient expression assays in tobacco (Nicotiana benthamiana) revealed that MSP18 interfered with the INF1-triggered programmed cell death, suggesting that MSP18 could suppress the plant defense pathways to facilitate nematode parasitism. In the second part of this work, systematic yeast-two-hybrid paired assays were conducted to check for protein-protein interactions between 6 MSP and 18 A. thaliana Hub proteins. In yeast, the nematode MSP400 protein interacts with three Hub proteins, the Anaphase-Promoting-Complex 8 (At-APC8) and the transcription factors At-TCP14 and At-TCP15. Physical interaction of MSP400 with At-APC8, a key plant cell cycle regulator, was confirmed in planta by bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assays. These results demonstrated for the first time that a plant parasitic nematode effector is able to directly interact with a cell cycle regulatory protein, revealing a novel mechanism utilized by RKN to control the host cell cycle machinery and thereby induce feeding site formation. The data obtained in this study significantly broaden our knowledge of the molecular players contributing to nematode pathogenicity, highlighting the different mechanisms exploited by RKN to promote plant susceptibility.