Analyse biologique, génétique et moléculaire de la résistance partielle du riz à Magnaporthe oryzae

Biological, genetic and molecular analysis of partial resistance of rice to Magnaporthe oryzae

• Auteur / Autrice : Xavier Grand
• Direction : Jean-Benoît Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Intégrative des Plantes
• Date : Soutenance le 15/12/2011
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie et Génétique des interactions Plantes-parasites pour la Protection Intégrée/UMR BGPI Montpellier (Montpellier ; 1999-2020)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Benoît Morel, Bruno Touraine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maria Manzanares-Dauleux, Éric Galiana

Mots clés

Mots clés libres

Riz

Magnaporthe oryzae

Résistance partielle

Défense préformée

Résistance quantitative

Transcriptome

Rice

Magnaporthe oryzae

Partial resistance

Preformed defense

Quantitative resistance

Transcriptome

Résumé

La résistance partielle aux agents pathogènes représente une source importante pour l'amélioration des plantes. Cependant les mécanismes moléculaires sous-jacents à ce type de résistance sont encore mal connus. L'interaction entre le riz et le champignon Magnaporthe oryzae est un modèle de choix pour ce type d'analyse, de nombreuses ressources génétiques et outils d'analyse fonctionnelle étant disponibles. Chez le riz, hormis le gène Pi21 qui contrôle la résistance partielle, aucune information biologique et fonctionnelle ne permet d'expliquer cette forme de résistance. En amont de ce travail de thèse, le phénomène de défense préformée a récemment été identifié ; il est défini par la corrélation entre l'expression des gènes liés à la défense avant infection et la résistance partielle à M. oryzae. L'identification de régulateurs de la résistance partielle et des défenses préformées a été l'objectif de cette thèse. Deux stratégies ont été adoptées. Une étude du transcriptome visant à sélectionner et caractériser des gènes candidats sur la base de leur profil d'expression constitutive a été réalisée. Une méthode de sélection par « guilt-by-association » s'est avérée efficace pour identifier des gènes impliqués dans la résistance de la plante. Les gènes AGO18, Z-BED, HSF23 et CaMBP ont été identifiés comme des régulateurs positifs des défenses de la plante. Les gènes HSF23 et CaMBP contrôlent l'expression constitutive des gènes liés à la défense mais leur sur-expression modifie la croissance des plantes. La sur-expression des gènes Z-BED et AGO18 n'a entraîné aucune modification de la croissance de la plante mais une augmentation de la résistance à M. oryzae, sans modification apparente de l'expression des gènes de défense testés. Le gène Z-BED code pour un facteur de transcription putatif dont on peut faire l'hypothèse qu'il contrôle un ensemble encore inconnu de l'arsenal de défense. Le gène AGO18 code pour une protéine argonaute potentiellement impliquée dans l'extinction de gène via la méthylation de la chromatine. Enfin le gène OB-fold est un régulateur négatif des défenses de la plante dont les cibles, potentiellement des ARN, restent à identifier.La deuxième approche a consisté en une détection de loci contrôlant la densité de lésions causées par M. oryzae. Une zone du génome, PRM1, contrôle ce phénotype, confère une résistance à un spectre de souches relativement large, semble contrôler l'expression de gènes de défense avant et au cours de l'infection, et enfin semble ralentir la croissance du champignon avant pénétration. Cette approche sans a priori renforce l'hypothèse que l'expression des gènes de défense avant infection est associée à la résistance partielle du riz à M. oryzae.De plus amples investigations seront nécessaires pour relier les phénotypes de résistance partielle tels que l'inhibition de la croissance pré-pénétration et la densité de lésions entre eux d'une part et d'autre part à l'expression des gènes de défenses avant infection

Partial resistance to pathogens is a major source for plant breeding. However, the molecular mechanisms underlying this type of resistance are still poorly understood. The interaction between rice and the fungus Magnaporthe oryzae is a model of choice for this type of analysis, many genetic and functional analysis tools being available. In rice, except for the Pi21 gene that controls partial resistance, no biological and functional information can explain this form of resistance. Prior to this thesis, the phenomenon of preformed defense has recently been identified; it is defined by the correlation between the expression of genes related to defense before infection and partial resistance to M. oryzae. Identification of partial resistance and preformed defense regulators has been the objective of this thesis. Two strategies were adopted.A transcriptome analysis to select and characterize candidate genes based on their constitutive expression pattern was performed. A method of selection by ''guilt-by-association'' has been effective in identifying genes involved in plant resistance. The genes AGO18, Z-BED, HSF23 and CaMBP were identified as positive regulators of plant defenses. The genes HSF23 and CaMBP control the constitutive expression of defense related genes, but their over-expression modifies plant growth. Over-expression of Z-BED and AGO18 genes does not affect plant growth but increases the resistance to M. oryzae, without apparent change in the expression of the defense genes tested. The Z-BED gene encodes for a putative transcription factor that likely controls an unknown set of the defense arsenal. The AGO18 gene encodes an Argonaute protein potentially involved in gene silencing via chromatin methylation. Finally the OB-fold gene is a negative plant defense regulator, and its hypothetical RNA targets remain to be identified.The second approach consisted of detection of loci controlling the lesions density caused by M. oryzae. A region of the genome, PRM1, controls this phenotype, confers resistance to a relatively wide range of isolates, appears to control the expression of defense genes before and during the infection, and finally seems to inhibit the growth of the fungus before penetration. This approach without a priori supports the hypothesis that the expression of defense genes before infection is associated with partial resistance of rice to M. oryzae.Further investigations are needed to link the resistance phenotypes such as partial inhibition of fungal growth pre-penetration and density of these lesions on the one hand, and the defense gene expression before infection on the other hand.