Titre de l'écran-titre (visionné le 11 septembre 2023) / Le nématode à kyste du soja (NKS - Heterodera glycines) est l'agent pathogène le plus important sur le plan économique affectant les cultures de soja (Glycine max (L.) Merr) et entraîne des réductions significatives du rendement à l'échelle mondiale. Actuellement, la principale méthode de gestion de ce parasite racinaire consiste à utiliser la résistance naturelle de l'hôte. Deux sources de résistance génétique sont couramment employées pour atténuer ces pertes : les introductions de plantes de soja (PI) 548402 (Peking) et PI 88788. Cependant, en Amérique du Nord, plus de 95 % des variétés de soja résistantes tirent leur résistance de PI 88788. Bien que toujours efficace, un usage prolongé et soutenu de ces sources génétiques a conduit à l'émergence de virulence au sein de populations de NKS, avec certaines sous-populations désormais en mesure de surmonter la résistance de l'hôte. Le soya étant appelé à devenir l'une des cultures les plus importantes sur le plan économique au Québec et au Canada, comprendre comment le NKS surmonte la résistance est crucial. Pour mieux définir la base génétique de la virulence, une analyse transcriptomique comparative a été menée à l'échelle de l'individu permettant d'établir le profil d'expression de nématode unique. Le séquençage de multiples femelles, phénotypiquement sélectionnées sur la base de leur virulence, a permis d'établir un répertoire de gènes exprimés 16 jours après l'infection sur les lignées de soya résistantes Peking et PI 88788 et la lignée sensible Essex. En contrastant ces profils d'expression, nous avons constaté des variations dans les gènes effecteurs des nématodes se développant sur ces trois lignées, suggérant des stratégies distinctes pour contourner les différents types de résistance. Une analyse plus approfondie des gènes exprimés dans les nématodes virulents se développant sur Peking a révélé un large éventail de polymorphismes de séquence et d'utilisation différentielle des exons qui n'ont pas été observés dans les autres groupes de nématodes testés. S'appuyant sur la découverte d'épissage alternatif probable au niveau de gènes effecteurs, un transcriptome de novo a été généré à l'aide de longues lectures de séquences obtenues à partir de nématodes uniques. Cette analyse visait à évaluer la présence et l'étendue de l'épissage alternatif dans les gènes effecteurs et globalement à travers l'ensemble du transcriptome. En comparant le profil d'expression des transcrits identifiés dans cette analyse, entre des femelles virulentes contre PI 88788 et des femelles avirulentes, deux nouveaux effecteurs candidats prometteurs (Hg-CPZ-1 et Hg16414.1) ont été identifiés, ainsi que six effecteurs supplémentaires, tous surexprimés chez les femelles virulentes. Finalement, les microARN (miARN) du NKS, potentiellement impliqués dans la régulation post-transcriptionnelle des gènes effecteurs, ont été caractérisés à l'aide de sRNA-Seq. L'analyse des petits ARN isolés de nématodes entiers et d'exosomes, a permis d'identifier un grand jeu de miARN conservés et inédits, spécifiques au NKS ou aux Heterodera. Également, l'usage de deux prédicteurs de cibles, un spécifique aux animaux et l'autre spécifique aux plantes, a prédit un sous-ensemble de miARN capable d'interagir simultanément avec des gènes effecteurs et des gènes putativement liés à la résistance chez le soja, suggérant une nature complexe du parasitisme du NKS. En résumé, les résultats de ces études ont permis non seulement d'améliorer notre compréhension des mécanismes sous-jacents à l'évolution et à la régulation des gènes effecteurs, mais ont également identifié des cibles potentielles pour améliorer la résistance contre le NKS et détecter plus efficacement la présence de ce parasite destructeur. / The soybean cyst nematode (SCN - Heterodera glycines) is the most economically important pathogen affecting soybean crops, causing significant reductions in yield on a global scale. Currently, the primary method for the management of this destructive root parasite is by utilizing natural host resistance. There are two main sources of genetic resistance commonly used in commercial practices to mitigate these losses: soybean plant introductions (PI) 548402 (Peking) and PI 88788. However, in North America, over 95% of resistant soybeans derive their resistance from PI 88788 genetics. Although still effective to a large extent, prolonged exposure to these limited genetic sources has led to the emergence of virulence within the SCN population, with subpopulations of nematodes now capable of overcoming host resistance. Given that soybean is expected to become one of the most economically significant grain crops in Quebec and Canada, it is crucial to understand how these nematodes overcome resistance. To gain insights into the genetic basis of virulence, a comparative transcriptomic analysis was conducted on individual nematodes isolated from multiple SCN populations with varying degrees of virulence against both main sources of resistance. By comparing the gene expression profiles of females categorized by their virulence phenotypes, we observed a significantly different transcriptomic response in females developing on Peking compared to those developing on PI 88788 or the susceptible control Essex. Indeed, overexpression and repression was observed in multiple effector genes of females developing on Peking. Further sequence analysis of expressed genes in Peking virulent nematodes also revealed a wide array of sequence polymorphisms and differential exon usage not shared by PI 88788 virulent or avirulent nematodes. Building upon the findings of potential alternative splicing in effector genes, a de-novo genome-guided transcriptome was generated in chapter two using long reads sequencing generated from single nematodes. This analysis aimed to assess the presence and extent of alternative splicing within effector genes and, more broadly, the SCN transcriptome. By comparing the expression profiles of these transcripts in PI 88788 virulent and avirulent females from different populations, simultaneously selected on both cultivars, two promising novel effector gene candidates (Hg-CPZ-1 and Hg16414.1) were identified, along with six other overexpressed effector candidates common to all virulent females from PI 88788. Although the two first chapters identified multiple candidate effectors associated with Peking and PI 88788 virulence, the regulatory mechanisms controlling these effectors remained unknown. Consequently, the third chapter explored the SCN microRNAs (miRNA) characterizing candidates potentially involved in the post-transcriptional regulation of effector genes. A comprehensive analysis of whole-nematodes and exosome-derived miRNAs revealed a diverse set of species- and lineage-specific candidates characterized for the first time in the SCN. By utilizing animal-specific and plant-specific miRNA target predictors, a subset of these miRNAs were also predicted to interact with nematode effectors and soybean resistance-related genes emphasizing the complex nature of SCN parasitism through the potential ability of nematodes to not only regulate its effectors genes but also its host genes. In summary, the findings from these chapters have not only enhanced our understanding of the mechanisms underlying the evolution and regulation of effector genes but also provide potential targets for improving resistance against SCN and detecting the presence of this destructive root parasite more effectively.

Le nématode à kyste du soya (NKS), Heterodera glycines, est la principale cause de pertes économiques chez le soya aux États-Unis. Au Canada, on le retrouve en Ontario depuis 1988 et il continue à gagner du terrain chaque année. Il a été répertorié pour la première fois au Québec en 2013, et les producteurs de soya québécois ont déjà commencé à déployer des outils pour sa répression. La méthode de lutte la plus utilisée contre cet organisme est l’utilisation de gènes de résistance quantitative combiné à la rotation des cultures. Par contre, l’organisme causant le plus de dommages chez le soya à l’heure actuelle au Québec est la pourriture phytophthoréenne, causée par l’oomycète, Phytophthora sojae. Cette maladie racinaire peut, elle aussi, être réprimée grâce à des cultivars génétiquement résistants (résistance qualitative à gènes Rps). Sachant que le NKS se retrouve déjà dans certaines régions du Québec où sévit également P. sojae, il devient urgent de déterminer si les cultivars de soya présentement utilisés exprimeront une résistance satisfaisante contre ces agents pathogènes majeurs. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet était d’évaluer l’interaction entre ces deux agents pathogènes du soya en fonction de la résistance (qualitative à gènes Rps / résistance quantitative au NKS) des cultivars utilisés. L’étude, réalisée en système hydroponique, a permis de démontrer qu’en présence d’un cultivar sensible aux deux organismes, P. sojae a un impact négatif sur la capacité du NKS à produire des kystes. Cela suggère que P. sojae pourrait influencer le développement du NKS. La présence du nématode, quant à elle, n’a pas influencé l’efficacité de la résistance qualitative à gènes Rps contre P. sojae. En conséquence, les cultivars résistants aux deux agents pathogènes représentent une bonne option pour prévenir et lutter contre ces affections. / The soybean cyst nematode (SCN), Heterodera glycines, is the leading cause of economic losses in soybean in the United States. In Canada, it has been found in Ontario in 1988 and continues to spread every year. It was identified for the first time in Quebec in 2013 and soybean growers have already begun to deploy management tools. The most commonly used control method against SCN is the use of quantitative resistance genes and crop rotation. However, the most damaging organism in soybean in Quebec currently is Phytophthora root rot, caused by Phytophthora sojae. This root disease can also be controlled by genetically resistant cultivars (qualitative resistance with Rps genes). Because SCN is now present in regions struggling with P. sojae, it is important to determine if the cultivars will express sufficient resistance against these two major pathogens. In this context, the main objective of this project was to evaluate the interaction between these two organisms on soybean, according to the resistance (qualitative Rps genes/ or quantitative resistance to SCN) of the cultivars used. This study, in a hydroponic system, demonstrated that P. sojae has a negative impact on SCN capacity to produce cysts produced. This suggests that P. sojae might influence SCN development. On the other hand, resistant cultivars were not affected by the presence of both pathogens and the presence of the nematode did not influence the efficacy of qualitative Rps resistance gene against P. sojae. As a result, cultivars resistant to both pathogens are a good option for preventing and controlling these diseases.

La culture du soja (Glycine max (L.) Merr.) a connu une forte expansion au Canada surtout grâce au développement de lignées à maturité hâtive facilitant sa culture plus au nord. En parallèle le nématode à kyste du soja (NKS ; Heterodera glycines Ichinohe), parasite du soja, est devenu le premier ravageur du soja mondialement et il s’installe progressivement au Canada. L’utilisation de cultivars résistants demeure le moyen le plus efficace pour réduire les pertes associées au NKS. Cependant une seule source de résistance a été largement exploitée en Amérique, soit l’accession PI 88788. Son utilisation intensive a exercé une forte pression de sélection sur le NKS pouvant maintenant surmonter cette résistance presque partout aux États-Unis. De plus PI 88788 présente une maturité très tardive la rendant mal adaptée aux régions canadiennes. Cette étude visait à déterminer les régions génomiques conférant la résistance au NKS chez la variété de soja Suzuhime (PI 494182) laquelle affiche une grande résistance au NKS et la maturité la plus hâtive parmi les accessions résistantes. Pour ce faire 149 lignées issues d’un croisement entre la variété Costaud (haut rendement, maturité hâtive, mais sensible au NKS) et Suzuhime ont été génotypées et évaluées pour leur résistance au NKS permettant de réaliser une analyse QTL (« quantitive trait loci ») et ainsi identifier les locus de résistance. Ces lignées ont aussi été évaluées pour certains caractères agronomiques dans le but de déterminer l’impact de la sélection des allèles de résistance sur les performances agronomiques. Finalement, grâce au reséquençage de PI 494182 et Costaud, nous avons identifié les allèles en présence pour certains gènes de résistance connus. Ce travail permettra d’identifier des marqueurs génétiques de résistance au NKS et ainsi faciliter le développement de cultivars combinant maturité hâtive, rendement élevé et résistance au NKS.

Les invasions biologiques dans les agroécosystèmes engendrent de lourdes pertes économiques. Parmi les nombreuses espèces en cause, on retrouve les nématodes phytoparasites, vers microscopiques s’attaquant principalement aux racines. Présent dans tous les principaux pays producteurs de soya, le nématode à kyste du soya (NKS), Heterodera glycines, serait à lui seul responsable annuellement de plusieurs milliards de dollars de pertes. La rotation avec des cultivars résistants est le moyen le plus efficace de contrôler les populations de NKS, mais la surutilisation des mêmes lignées a conduit à la sélection d’individus virulents et mené à leur inefficacité. À ce jour, les mécanismes ainsi que les gènes de virulence associés au contournement de la résistance continuent de mystifier les scientifiques. Dans cette thèse, les effets des changements climatiques sur la reproduction et l’établissement du NKS ainsi que sur la phénologie de son hôte, le soya, ont été étudiés. Le premier modèle bioclimatique simulant le cycle de vie du NKS et du soya a été développé. Il a démontré que le nématode peut déjà se reproduire dans toutes les régions du Québec et que la hausse attendue des températures dans le futur proche (2041-2070) permettrait au NKS de pratiquement doubler le nombre de générations produites par saison de croissance dans toutes les régions. De plus, la production de soya issu du groupe de maturité I pourrait s’étendre à toutes les régions du Québec d’ici 2070. Une étude sur la distribution de la variabilité génétique entre 64 populations américaines et ontariennes et les gènes associés à diverses composantes bioclimatiques et leur rôle dans l’adaptation a également été réalisée. Celle-ci a révélé que la diversité génétique était très élevée entre les populations et qu’un flux de gène continu aurait facilité l’adaptation du NKS à diverses conditions bioclimatiques et son établissement dans toutes les régions nord-américaines où l’on produit du soya. Finalement, cette thèse présente l’analyse des génotypes du NKS et des gènes différentiellement exprimés sur des plants de soya résistant (Peking et PI88788) et sensible (Essex). En plus d’identifier plusieurs protéines liées à la virulence, cette étude a permis de mettre en évidence une région génomique sous forte pression évolutive. Cet îlot génique contient plusieurs répétitions en tandem qui ont divergé et dont certaines sont maintenant utilisées de façon sélective pour le contournement de différents types de résistance. / Biological invasions in agroecosystems are a major cause of economic losses. Plant parasitic nematodes are among the many species causing significant crop damages. The soybean cyst nematode (SCN) is causing billions of dollars of losses in all areas where soybean is produced. Rotation with resistant cultivars is the most effective mean of controlling SCN populations, but the overuse of the same lines has led to the selection of virulent individuals and the ineffectiveness of resistance. To this day, the virulence genes and mecanisms associated with the circumvention of resistance continue to mystify scientists. In this thesis, I explored the effects of climate change on the reproduction and establishment of SCN as well as on the phenology of its host, soybean. I have demonstrated that the nematode can already reproduce in all regions of Québec and that the expected rise in temperatures in the near future (2041-2070) will allow the development of more generations per growing season in all regions. In addition, I have demonstrated that the area suitable for the production of soybean from maturity group I will expand toward the north by 2070, further facilitating the expansion of SCN. I have also explored the genetic variability among more than 64 SCN populations from North America and analyzed the genes associated with various bioclimatic components and their role in adaptation. These analyses revealed that the genetic diversity was very high among SCN populations. This diversity associated with a continuous gene flow between populations has facilitated the adaptation of SCN to various bioclimatic conditions and its establishment in all US and Canadian soybean producing regions. Finaly, this thesis presents an analysis of the SCN genotypes and the differentially expressed genes associated with virulence in two resistant soybean lines (Peking and PI88788) and susceptible Essex. This work has identified several proteins associated with virulence and allowed the discovery of a genomic region under strong evolutionary pressure. This island contains several genes in tandem duplications that have diverged and are now used selectively for overcoming different sources of resistance.