Le locus de résistance Ma des Prunus vis-à-vis des nématodes à galles : Originalité structurale et évolution dans la famille des NBS-LRRs chez les plantes

The Ma resistance locus to root-knot nematodes in Prunus : Structural originality and evolution within the NBS-LRR gene family in plants

• Auteur / Autrice : Cyril Van Ghelder
• Direction : Daniel Esmenjaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions moléculaires et cellulaires
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Sophia Agrobiotech (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Institut Sophia Agrobiotech [Sophia Antipolis] / ISA
• Jury : Président / Présidente : Pierre Frendo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Frendo, Thomas Kroj, Olivier Lemaire, Marie-Claire Kerlan, Jean-Luc Poessel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thomas Kroj, Olivier Lemaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évolution (biologie)

Meloidogyne

Mots clés libres

Cartographie

Domaine PL

Évolution

Gènes de résistance

Interaction plante-nématode

Meloidogyne

NBS-LRR

NLR

Prunus

TNL

Evolution

Gene mapping

Meloidogyne

NBS-LRR

NLR

TNL

Plant-nematode interaction

PL domain

Prunus

Resistance genes

Résumé

Les nématodes à galles, Meloidogyne spp., sont des ravageurs extrêmement polyphages qui, à l’échelle mondiale, occasionnent de graves dommages aux plantes. La résistance génétique spécifique des plantes aux maladies et ravageurs s’appuie principalement sur les gènes de la famille des récepteurs NBS-LRR (ou NLRs), regroupant les TNLs, CNLs et RNLs. Chez les Prunus, le gène Ma du prunier appartient à la sous-famille des TNLs et confère une résistance à toutes les espèces de Meloidogyne testées, alors que le gène RMja de l’amandier exprime un spectre de résistance (R) plus restreint vis-à-vis de ces ravageurs. De plus, la protéine Ma présente une région C-terminale particulière constituée de cinq domaines répétés, désignés domaines post-LRR (PLs). Notre travail de thèse a caractérisé l’originalité et la distribution de cette région à travers de nombreux protéomes de plantes et a identifié la relation génétique entre les gènes Ma et RMja.Nous avons tout d’abord étudié la fréquence, la distribution et les caractéristiques structurales des gènes TNL et des domaines PL dans le génome du pêcher, génome de référence des Rosaceae. Les domaines PL, retrouvés chez les deux tiers des 195 TNLs identifiés, nous ont permis d’établir des signatures améliorant la détection de ce domaine, jusqu’alors peu étudié, dans divers génomes d’Angiospermes. Nous avons pu établir que le domaine PL est spécifique aux TNLs et qu’il est retrouvé dans des proportions similaires à celle établie chez le pêcher. Par ailleurs, les TNLs disposant de domaines PL multiples sont rares chez les plantes étudiées. La structure à cinq domaines répétés est probablement unique à Ma et ses orthologues et a vraisemblablement été héritée de leur ancêtre commun dans l’ordre des Rosales. Nous avons ensuite étudié le répertoire des NBS-LRRs chez les conifères (Gymnospermes), groupe taxonomique ancien, dont les données sur cette famille de gènes étaient parcellaires. En analysant sept transcriptomes de référence, nous avons pu établir que l’arsenal des NBS-LRRs chez les conifères était large et varié mais, étonnamment, qu’aucun domaine PL précédemment défini n’y était présent. L’examen de protéomes de plantes plus anciennes a montré que seul le Ginkgo biloba portait quelques signatures PL. Ces observations suggèrent une acquisition partielle précoce du domaine chez les plantes à graines et une expansion adaptative chez les Angiospermes. En complément, nous avons montré que les conifères, tout comme les Rosaceae, possèdent de nombreux RNLs et TNLs. En étendant notre étude à diverses plantes terrestres, nous avons mis en évidence un rapport moyen de 1:10 reliant les effectifs de RNLs et de TNLs à travers les divers génomes étudiés. Nous avons finalement conduit une cartographie haute résolution du gène RMja chez l’amandier. En nous appuyant sur une banque BAC, RMja a été localisé dans le cluster de résistance Ma et l’orthologue de Ma est de très loin le meilleur candidat. La comparaison de séquence entre les régions orthologues du locus Ma, chez le prunier (spectre R complet), l’amandier (spectre R incomplet) et le pêcher (spectre R nul) a mis en évidence une structure conservée unique des trois orthologues de Ma. Nos résultats suggèrent que le polymorphisme des répétitions du domaine PL sous-tend des interactions différentielles de résistance vis-à-vis des Meloidogyne et un mécanisme d’immunité original chez les plantes pérennes. Dans ces processus immuns de reconnaissance ou de signalisation, d’autres composants tels les RNLs pourraient être impliqués. Notre travail ouvre la voie à des approches comparative et fonctionnelle d’identification des déterminants moléculaires impliqués dans la résistance aux nématodes à galles.

Root-knot nematodes (RKNs), Meloidogyne spp., are extremely polyphagous pests that severely challenge plants worldwide and especially perennials. The specific genetic resistance of plants mainly relies on NBS-LRR receptor genes (or NLRs grouping TNL, CNL and RNL subfamilies) that are pivotal factors for control of pests and pathogens. In Prunus spp., the Ma plum TNL gene confers resistance to all RKNs tested, whereas the RMja almond gene displays a more restricted spectrum of resistance (R). Moreover, the Ma predicted protein shows a peculiar TNL structure due to a C-terminal region made of five repeated domains, designated post-LRR domains (PLs). In this context, this thesis work has characterised the originality and the distribution of this uncommon structure among diverse plant proteomes and has revealed the genetic relationship between the Ma and RMja genes.We first studied the frequency, distribution and structural characteristics of TNL genes and PL domains within the peach genome, the reference genome for Rosaceae. The finding of PL domains, which have been identified in two thirds of the 195 TNLs, allowed us to define specific motifs that improve the detection of this poorly known domain in Angiosperms. We found that the PL domain is specific of TNLs and is present in Angiosperm genomes in a proportion similar to the one established for peach. Besides, TNLs displaying multiple PL domains are rare in plants. The five-PL domain pattern is probably unique to Ma and its orthologues and was probably inherited from their common ancestor in the order Rosales. We then investigated the NBS-LRR repertoire of the conifers (Gymnosperms), an ancient taxonomic group, for which the data related to this gene family are unclear. By analysing seven reference transcriptomes, we highlighted a large and diverse NBS-LRR arsenal in conifers but, surprisingly, no PL signatures have been detected. The examination of ancient plant proteomes revealed that only Ginkgo biloba displayed a few PL signatures. Our results suggest that a partial acquisition of the PL domain occurred early in seed plants and was followed by an adaptive expansion in Angiosperms. Additionally, we showed that conifers and Rosaceae have numerous RNLs and TNLs. By enlarging our study to other land plant genomes, we uncovered an average ratio of 1:10 between RNLs and TNLs numbers.We finally carried out a high-resolution mapping of the RMja gene in almond. Using a BAC library, RMja was localised into the Ma resistance cluster and the Ma orthologue is by far the best candidate. The sequence comparison between three orthologous regions of the Ma locus, i.e. plum (complete R spectrum), almond (incomplete R spectrum) and peach (null R spectrum) highlighted a unique conserved structure of the Ma orthologues. Our results suggest that the polymorphism contained in the PL-domain repeats might underlie differential resistance interactions with RKNs and an original immune mechanism in woody perennials. In these immune processes for recognition or signalling, other components such as RNLs might be involved. This work paves the way for future comparative and functional approaches aiming to unravel the molecular determinants involved in the resistance to RKNs.