Identification des bases génétiques de mécanismes de résistance à Ralstonia solanacearum et leur caractérisation chez Arabidopsis thaliana et la tomate dans un contexte de réchauffement climatique

Identification of resistance mechanisms to Ralstonia solanacearum and their characterization in Arabidopsis thaliana and tomato in a global warming context

• Auteur / Autrice : Henri Desaint
• Direction : Richard Berthomé, Fabienne Vailleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Interactions plantes-microorganismes
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réchauffement de la Terre

Ralstonia solanacearum

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Ralstonia solanacearum

Arabidopsis thaliana

Tomate

Réchauffement climatique

Diversité naturelle

Mécanismes de résistance

GWAS

Ralstonia solanacearum

Arabidopsis thaliana

Tomato

Global warming

Natural diversity

Resistance mechanisms

GWAS

Résumé

La population mondiale devrait atteindre neuf milliards de personnes en 2050, entrainant une augmentation de la demande de production agricole de 60 à 110% d’ici 2050. Les changements globaux sont prédits depuis plusieurs décennies mais il est maintenant possible d’en mesurer les impacts négatifs sur la production agricole mondiale. Une partie de ces effets est due à une incidence accrue des maladies des plantes, provoquée par l’élévation des températures moyennes à la surface du globe. En effet, la température est l'un des paramètres climatiques qui est prédit pour fluctuer le plus, entre 2,0 et 4,9°C d'ici 2100. La vie sessile des plantes les oblige à s'adapter et répondre aux conditions environnementales en activant des réponses spécifiques pour minimiser les dommages. Cependant, au champ, les plantes sont exposées à une multitude de stress simultanés. Des études récentes sur les interactions plante-pathogène-stress thermique montrent que les mécanismes intervenant dans les réponses des plantes sont uniques et complexes, conduisant à une altération de la majorité des résistances étudiées, quel que soit le pathosystème. Il est donc crucial d'identifier des sources de résistance robustes face à l'augmentation de température. Les pathosystèmes choisis pour cette étude impliquent la bactérie Ralstonia solanacearum en interaction avec Arabidopsis thaliana ou la Tomate. R. solanacearum, l'une des bactéries phytopathogènes les plus nocives, cause d'énormes pertes de rendement dans les cultures des régions tropicales, subtropicales et tempérées chaudes du monde entier. La résistance de la plante hôte à R. solanacearum reste la stratégie la plus efficace de lutte. Chez A. thaliana le principal mécanisme de résistance impliquant les gènes RPS4 / RRS1-R est inhibé par une élévation de température de 3°C. Chez la Tomate, deux QTLs de résistance majeure à R. solanacearum ont été identifiés, Bwr-6 et Bwr-12 ainsi qu’un cultivar tolérant ‘Hawaii 7996’. Une faible augmentation de la température rend aussi le cultivar ‘Hawaii 7996’ plus sensible. Jusqu’à présent, aucun autre cultivar plus résistant sous stress thermique n’a été identifié. Quelques gènes conférant une résistance stable en condition de températures élevées ont été identifiés, certains dans l'équipe. En effet, en explorant la diversité naturelle de la réponse à R. solanacearum à 27°C et 30°C d'une population mondiale d’accessions sauvages de A. thaliana grâce à une analyse d’association pangénomique (GWA), deux gènes, SLL4 et SLL5, ont été validés pour être impliqués dans la QDR à R. solanacearum à 30°C. Dans une expérience GWA indépendante, un autre QTL majeur correspondant au locus CESA3 a été détecté à 30°C. Le premier objectif de mon projet était donc de valider fonctionnellement d’autres gènes candidats dont CESA3 et de caractériser le rôle de CESA3 dans la réponse de la plante à R. solanacearum à 30°C. Nous avons démontré que CESA3 est impliqué dans la QDR à R. solanacearum à 30°C, mais aussi à 27°C, agissant comme un gène de sensibilité nécessaire à la pathogénicité la bactérie. Mes travaux suggèrent un rôle de la paroi primaire dans l'immunité des plantes, comme barrière passive ou comme un système permettant la reconnaissance des bactéries et l’induction d’une réponse de défense lors de l’interaction avec les bactéries. Le deuxième axe, conduit dans le cadre du projet BURNED, partenariat de recherche public-privé SYNGENTA/LIPM, avait pour objectif de développer la même approche de GWAS sur un panel de diversité composé de tomates sauvages échantillonnées en Amérique du Sud. Ce panel a été phénotypé pour sa réponse à R. solanacearum à 28°C et 32°C dans des conditions contrôlées, imitant l'élévation prévue dans le cadre du réchauffement global du climat. Le développement de la GWAS et ses optimisations ont permis d’identifier de nombreux QTLs prometteurs qui seraient impliquées dans les réponses de résistance de la tomate à R. solanacearum à température élevée.

Global population is expected to reach nine billion people in 2050. leading to an increased demand for agricultural production from 60 to 110% by 2050. While these global changes have been predicted for several decades, their consequences on global agricultural production have now been reported. Part of this effect is due to altered disease occurrence, driven among others by changes in average surface temperature distribution. Indeed, in addition to more frequent extreme temperature episodes, temperature is one of the climatic parameters of global changes predicted to fluctuate the most, with increases between 2.0 and 4.9°C by 2100. Because of their sessile lifestyle, plants must constantly adapt and respond to diverse environmental conditions, activating specific molecular and physiological changes to minimize damage. However, in the field they are exposed to a variety of concurrent stresses. Reviewing the recent studies specifically investigating the plant-pathogen-heat stress interactions, it overall appears that the mechanism occurring on the plant side are unique and complex, leading to an alteration of a majority of the defense response studied, whatever the pathosystem considered. It is therefore crucial to identify sources of resistance resilient to temperature elevations. The pathosystems chosen for this study are Ralstonia solanacearum/Arabidopsis thaliana and R. solanacearum/Tomato. R. solanacearum is one of the most harmful phytopathogenic bacteria causing tremendous yield losses in crop in tropical, subtropical and warm temperate areas worldwide. Host resistance to R. solanacearum remains the most efficient strategy of disease control. In A. thaliana, the major molecular resistance mechanisms involving the RPS4/RRS1- R pair of immune receptors was recently demonstrated to be inhibited by an elevation in temperature of 3°C. In tomato, two major resistance QTLs have been identified, Bwr-6 and Bwr-12 as well as a tolerant cultivar ‘Hawaii 7996’. Moderately elevated temperature increases susceptibility of the ‘Hawaii 7996’ cultivar to R. solanacearum, and so far, no cultivar performing better under heat stress has been identified. To date, few genes implicated in robust plant defense response under elevated temperature conditions were identified, some of which in the team. Indeed, exploring the natural diversity of response to R. solanacearum at 27°C and 30°C of a worldwide population of wild A. thaliana accessions through Genome-Wide Association (GWA) mapping, two genes were identified and validated, SLL4 and SLL5, involved in QDR to R. solanacearum at 30°C. In an independent GWA experiment, another major QTL corresponding to the CESA3 locus was detected at 30°C. The first objective of my PhD project was therefore to functionally validate other candidate genes in A. thaliana and characterize the role of CESA3 in early plant defense response to R. solanacearum at 30°C. We demonstrated through a reverse genetic approach that CESA3 was involved in QDR to R. solanacearum at 30°C, but also 27°C, acting as a susceptibility gene necessary for the bacterium pathogenicity and infection of A. thaliana. These results hinted at a role of the primary cell- wall in plant immunity, as a passive barrier or as an induced defense and recognition mechanism possibly specifically targeted by the bacteria. The second axis of my PhD was conducted as part of the BURNED project, a public-private research partnership between SYNGENTA and the LIPM. The overall objective of this axis was to develop a GWA mapping approach on a diversity panel mostly composed of wild tomatoes sampled in South America. This panel was phenotyped for its response to R. solanacearum at 28°C and 32°C in controlled conditions, mimicking the predicted elevation of average surface temperature. The GWA mapping analysis was set up and implemented, yielding numerous promising QTLs putatively involved in tomato resistance responses to R. solanacearum at elevated temperature.