L’immunité végétale est garantie par plusieurs niveaux d’action dont l’interconnexion et les voies signalétiques sont peu élucidées. Deux des trois couches de défenses immunitaires sont constituées par les protéines NB-LRR (Nucleotide-Binding Leucine-Rich Repeat), encodées par les gènes de Résistance (gènes R), et l’interférence à ARN (iARN). L’étude de la voie de signalisation induite par l’activation des NB-LRR en réponse à la reconnaissance (directe ou indirecte) de protéines pathogéniques est très compliquée, car cette réponse culmine, dans la majeure partie des cas, en un phénotype macroscopique de mort cellulaire dénommée Réponse hypersensible (HR), empêchant toute analyse biochimique. Récemment, il a été montré chez Nicotiana benthamiana que la réponse antivirale déclenchée par la protéine NB-LRR N, qui n’induit pas de HR lorsqu’activée, implique la répression de la traduction de l’ARN viral. Dans ce système, la résistance conférée par N est dépendante de la protéine AGO4 dont le rôle dans l’iARN est assez bien défini. En effet, bien que l’ARN viral se multiplie à l’intérieur de la cellule hôte, il n’est pas associé à la machinerie de traduction et ne produit donc plus de virions. Cependant, nous ne connaissons pas à ce jour les évènements de régulation de l’expression génique responsables de ce mécanisme de défense. Les études du transcriptome immunitaire chez Arabidopsis thaliana n’ont révélé que peu de candidats majeurs impliqués dans la réponse NB-LRR, alors que certaines études mettent en lumière l’implication de la régulation de l’expression génique, au niveau traductionnel, dans la réponse immunitaire. En s’appuyant sur les travaux de Bhattacharjee et al. (2009), nous avons entrepris de caractériser, au niveau cellulaire, la répression de la traduction de l’ARN viral pendant la réponse induite par N. Nous observons, dans un système inductible permettant de déclencher la réponse immunitaire après l’établissement de l’infection virale, une large formation de granules à ARN appelés PBs (Processing Bodies), en conséquence de l’inhibition spécifique de la traduction de l’ARN viral. Le mécanisme effecteur de cette répression est différent des mécanismes de répression traductionnelle mis en place en réponse à la perception de stress tel que les UVs, ou de l’induction des mécanismes de répression traductionnelle par l’iARN. De plus, des plantes d’Arabidopsis mutantes pour une protéine fonctionnant dans les PBs sont plus résistantes à des bactéries phytopathogènes. D’une façon intéressante, on détecte un niveau d’expression augmenté de certains gènes de défense dans ce mutant, de manière similaire à des mutants d’Arabidopsis compromis dans l’une des voies de dégradation des ARNm. En parallèle, nous avons développé des outils transgéniques pour déterminer si la régulation de la traduction des ARNm de l’hôte, à l’échelle génomique, joue un rôle dans l’établissement de l’immunité. Nous avons généré une lignée d’Arabidsopsis exprimant sous le contrôle d’un promoteur inductible le facteur d’Avirulence (Avr) AvrRpm1, dont la présence est reconnue par la protéine NB-LRR RPM1; en combinaison avec une protéine ribosomale étiquetée nous permettant d’immunopurifier les ribosomes avec les ARNm en cours de traduction. Le séquençage à haut-débit des ARN totaux et des ARNm engagés dans la traduction a révélé que cinq fois plus de gènes sont régulés au niveau traductionnel par rapport au niveau transcriptionnel, après l’induction de la réponse NB-LRR. Une analyse comparée avec les connaissances précédentes a révélé que la réponse NB-LRR induit l’expression de 20% des gènes NB-LRR totaux, qui sont aussi constitutivement exprimés dans des mutants compromis dans certains processus de dégradations des ARNm. Cependant, la réponse NB-LRR induit l’expression de centaines de gènes précédemment impliqués dans les défenses, ce qui n’est pas le cas dans les mutants de dégradation d’ARNm, soulignant ainsi la spécificité de la réponse NB-LRR. Une analyse bio-informatique a déterminé qu’environ cinq cent gènes sont régulés au niveau traductionnel de manière indépendante de leur abondance totale, fournissant une liste de nouveaux candidats potentiellement impliqués dans l’immunité NB-LRR et spécifiquement régulés au niveau traductionnel. Une analyse génétique de certains mutants de ces gènes candidats dans les défenses a été entreprise, et a révélé que des plantes d’Arabidopsis TOR-déficientes ou mutantes pour les gènes CIPK5, CCT2 et BIG possèdent une résistance altérée positivement pour les TOR-déficientes ou négativement pour les autres, par rapport à une plante sauvage. Dans leur ensemble, ces résultats prouvent une grande implication de la régulation de la traduction dans la mise en place de l’immunité végétale.

Le système immunitaire végétal se base sur la présence de récepteurs intracellulaires de type NB-LRR afin de se défendre contre les pathogènes. Un NB-LRR active la réponse immunitaire suite à la détection de protéines d’origine pathogénique nommées effecteurs. Les NB-LRR se divisent en différents groupes selon le domaine N-terminal qu’ils possèdent soit un CC, un TIR ou un CC[indice inférieur R]. Les CC[indice inférieur R]-NB-LRR forment une famille atypique de NB-LRR qui se divise elle-même en deux groupes, les ADR1-like et les NRG1-like. Contrairement aux NB-LRR dits classiques, les CC[indice inférieur R]-NB-LRR ne détectent pas d’effecteurs provenant des pathogènes. En fait, les CC[indice inférieur R]-NB-LRR seraient des NB-LRR auxiliaires nécessaires à la cascade de signalisation de la réponse immune, enclenchée suite à la détection d’un effecteur par un NB-LRR classique. Les CC[indice inférieur R]-NB-LRR se distinguent également des NB-LRR classiques de par leur niveau de conservation chez les végétaux : chaque plante possède au minimum un type de CC[indice inférieur R]-NB-LRR. Alors qu’ADR1-like est ubiquitaire chez les monocotylédones et les dicotylédones, NRG1-like est absent du génome des monocotylédones et de quelques dicotylédones. L’absence de NRG1-like corrèle avec l’absence de TIR-NB-LRR dans ces génomes et propose un lien fonctionnel exclusif entre les NRG1-like et les TIR-NB-LRR. L’omniprésence du groupe ADR1-like et des CC-NB-LRR suggère aussi un lien fonctionnel entre ces deux groupes. Il est toutefois possible que la fonction de NB-LRR auxiliaire des groupes ADR1-like et NRG1-like soient partiellement redondante, ou additive, pour la réponse immune. Afin de confirmer la nécessité des CC[indice inférieur R]-NB-LRR pour les réponses de défenses médiées par les NB-LRR et pour en plus discriminer les besoins entre les groupes ADR1-like et NRG1-like, des mutants adr1 ou nrg1 ont été testés quant à leur capacité à compléter la réponse de défense initiée par différents NB-LRR classiques. Les résultats préliminaires suggèrent que le groupe ADR1-like n’est pas nécessaire pour les réponses de défense médiée par les TIR-NB-LRR RPS6 chez Arabidopsis thaliana et N chez Nicotiana benthamiana. L’absence de l’un des deux représentants NRG1-like d’Arabidopsis thaliana, soit NRG1.1 ou NRG1.2, n’affecte aucune réponse de défense médiée par un TIR-NB-LRR ou un CC-NB-LRR. L’homologie élevée de 73% entre ces deux protéines indique possiblement une fonction redondante. Un double mutant nrg1 a été produit afin de poursuivre l’investigation de la fonction du groupe NRG1-like dans les réponses de défense. Puisque les gènes NRG1.1 et NRG1.2 sont arrangés en tandem dans le génome d’Arabidopsis thaliana, une méthode optimisée permettant de sélectionner un événement de recombinaison méiotique rare entre deux allèles mutantes nrg1.1 et nrg1.2 a été choisie pour produire le double mutant. Avec une méthode indirecte, il a été démontrée que la lignée AB possède un évènement de recombinaison entre ces deux allèles mutantes puisqu’une plante double mutant nrg1 homozygote a été récupérée dans sa progéniture. Les résultats préliminaires obtenus avec cette plante double mutant nrg1 homozygote suggèrent que le groupe NRG1-like serait nécessaire pour la réponse de défense médiée par le TIR-NB-LRR RPS4 et suggèrent également qu’une plante dépourvue de NRG1-like aurait un phénotype de croissance retardée ou ralentie, en plus d’une morphologie foliaire distincte. Il est également connu que le domaine N-terminal CC[indice inférieur R] des CC[indice inférieur R]-NB-LRR d’Arabidopsis thaliana peut à lui seul induire une réponse de défense lorsque surexprimé chez N.benthamiana. Afin de trouver des protéines interagissant avec ce domaine et de caractériser sa localisation cellulaire, des plantes d’Arabidopsis thaliana transgéniques surexprimant le domaine CC[indice inférieur R] de NRG1.1 couplé à la eYFP:HA ont été produites. Le matériel obtenu permettra spécialement de poursuivre la caractérisation du groupe NRG1-like sur lequel peu d’information est disponible à ce jour. Il sera également possible de déterminer le niveau de redondance entre les deux groupes de CC[indice inférieur R]-NB-LRR quant à leur nécessité pour les réponses de défenses médiées par les NB-LRR suite à la production d’un quintuple mutant adr1/nrg1 d’Arabidopsis ne possédant plus aucun CC[indice inférieur R]-NB-LRR.

La réussite de la mise en place d’une résistance efficace chez la plante hôte requiert la présence d’un dialogue entre les différentes voies signalétiques menant à l’induction de la défense. L’implication de l’extinction génique post-transcriptionnelle dans la résistance contre des agents pathogènes, autres que les virus, est une nouvelle avenue qui va permettre de disséquer le lien qui peut exister entre les deux voies immunitaires de la plante : celle qui est déjà importante pour lutter contre les bactéries et les champignons (voie induite à la suite de la reconnaissance des éliciteurs) et celle de l’extinction génique post-transcriptionnelle. Les résultats que nous avons obtenus ont une signification très importante concernant l’implication de l’extinction génique post-transcriptionnelle dans la résistance des plantes contre les agents pathogènes d’une manière générale et Botrytis cinerea, Alternaria brassicicola et Pseudomonas syringae en particulier. Mon travail de recherche a permis d’identifier le miR472 comme étant un acteur qui favorise la mise en place de la maladie causée par des agents pathogènes du type nécrotrophe et hémibiotrophe. De plus j’ai pu, en utilisant le modèle P. syringae pv tomato DC3000-Arabidopsis, disséquer dans le détail, comment la bactérie manipule la machinerie de la plante pour activer la voie des microARNs menant à l’accumulation du miR472, responsable de la suppression de la résistance basale et du PTI. Cette suppression passe par l’inhibition de sa cible, la protéine NB-LRR; RDS1 un nouveau régulateur impliqué dans le PTI induit par la Flg22. Cette étude permettra une avancée remarquable dans les connaissances reliées à l’immunité des plantes, ce qui constituerait une étape clé dans la découverte de nouvelles stratégies de lutte contre les agents phytopathogènes. Sur le plan fondamental, cette étude a permis de consolider le dialogue qui existe entre les voies immunes de la plante et de mettre en évidence un nouvel acteur impliqué dans la résistance basale. En matière d’application, comprendre les mécanismes de défense et de résistance des plantes aux agents pathogènes est primordial pour développer des plantes génétiquement résistantes et des stimulateurs de défense naturelle (Vaccin de plantes). Ceci constitue un enjeu majeur dans l'objectif de concevoir de nouveaux moyens de lutte phytosanitaire, à la fois plus respectueux de l’environnement et ayant moins d’impact sur la santé humaine.

Doctor of Philosophy / Department of Plant Pathology / Bikram S. Gill / H13, a dominant resistance gene transferred from Aegilops tauschii into wheat (Triticum aestivum), confers a high level of antibiosis against a wide range of Hessian fly (HF, Mayetiola destructor) biotypes. Previously, H13 was mapped to the distal arm of chromosome 6DS, where it is flanked by markers Xcfd132 and Xgdm36. A mapping population of 1,368 F2 individuals derived from the cross: PI372129 (h13h13) / PI562619 (Molly, H13H13) was genotyped and H13 was flanked by Xcfd132 at 0.4cM and by Xgdm36 at 1.8cM. Screening of BAC-based physical maps of chromosome 6D of Chinese Spring wheat and Ae. tauschii coupled with high resolution genetic and Radiation Hybrid mapping identified nine candidate genes co-segregating with H13. Candidate gene validation was done on an EMS-mutagenized TILLING population of 2,296 M₃ lines in Molly. Twenty seeds per line were screened for susceptibility to the H13-virulent HF GP biotype. Sequencing of candidate genes from twenty-eight independent susceptible mutants identified three nonsense, and 24 missense mutants for CNL-1 whereas only silent and intronic mutations were found in other candidate genes. 5’ and 3’ RACE was performed to identify gene structure and CDS of CNL-1 from Molly (H13H13) and Newton (h13h13). Increased transcript levels were observed for H13 gene during incompatible interactions at larval feeding stages of GP biotype. The predicted coding sequence of H13 gene is 3,192 bp consisting of two exons with 618 bp 5’UTR and 2,260 bp 3’UTR. It translates into a protein of 1063 amino acids with an N-terminal Coiled-Coil (CC), a central Nucleotide-Binding adapter shared by APAF-1, plant R and CED-4 (NB-ARC) and a C-terminal Leucine-Rich Repeat (LRR) domain. Conserved domain analysis revealed shared domains in Molly and Newton, except for differences in sequence, organization and number of LRR repeat in Newton. Also, the presence of a transposable element towards the C terminal of h13 was indicative of interallelic recombination, recent tandem duplications and gene conversions in the CNL rich region near H13 locus. Comparative analysis of candidate genes in the H13 region indicated that gene duplications in CNL encoding genes during divergence of wheat and barley led to clustering and diversity. This diversity among CNL genes may have a role in defining differences in the recognition specificities of NB-LRR encoding genes. Allele mining for the H13 gene in the core collection of Ae. tauschii and hexaploid wheat cultivars identified different functional haplotypes. Screening of these haplotypes using different HF biotypes would help in the identification of the new sources of resistance to control evolving biotypes of HF. Cloning of H13 will provide perfect markers to breeders for HF resistance breeding programs. It will also provide an opportunity to study R-Avr interactions in the hitherto unexplored field of insect-host interaction.

The unveiling of small RNA (sRNA)-mediated gene regulatory pathways has profoundly shaped our understanding of the complexity of gene regulation. In eukaryotes, sRNAs have been found to control cellular metabolism, growth and differentiation, to maintain genome integrity, and to combat viruses and mobile genetic elements. To gain insight into the roles of small RNAs in apple and peach, we conducted sRNA-seq, computational analysis and molecular experiments to genome-widely characterize their microRNAs (miRNAs) and trans-acting siRNA (tasiRNA) pathways. We identified totally 75 miRNAs or families, including 23 conserved, 10 less-conserved and 42 apple-specific ones, and 118 miRNA target genes in apple. Two classical trans-acting siRNA (tasiRNA) pathways, miR390-TAS3 and miR828-TAS4, were characterized with similar but unique tasiRNA biogenesis profiles and target specificities. Importantly, miR159, miR828 and miR858 can collectively target up to 81 MYB genes potentially involved in diverse aspects of plant growth and development. In contrast to the location of the miR159 target site in a sequence-divergent region, the target sites of miR828 and miR858 are located in the region encoding the conserved R3 repeat domain of MYB proteins. 10 out of the 19 miR828-targeted MYBs undergo the biogenesis of various phased siRNA (phasiRNA), which potentially regulate diverse genes outside the MYB family. In peach, totally 94 miRNAs or families and 80 target genes were identified. Similar pathways of tasiRNA (miR828-TAS4 and miR390-TAS3) or phasiRNA (miR828-MYB-siRNA) processing were also characterized in peach. Taking advantage of reverse computation and public available deep-sequencing data, we demonstrated that the miRNA-TAS-PPR-siRNA pathway is a highly dynamic and widespread feature of eudicots. Nine eudicot plants, representing six different plant families, have evolved similar tasiRNA pathways to instigate phasiRNA production from PPR �genes, which are triggered by different 22-nt miRNAs, including miR7122, miR1509, and fve-PPRtri1/2 and through distinct mechanistic strategies, like miRNA direct-targeting or indirect-targeting through TAS-like genes, one-hit or two-hit, or even two layers of tasiRNA-TAS interactions. We found that the MIRNA genes of these miRNA triggers show great identity with the Arabidopsis MIR173, implying a common origin of this group of miRNAs (super-miR7122). Combined results from phylogenetic analyses and conservation extent profiling revealed that the super-miR7122 was potentially evolved from another miRNA superfamily (super-miR4376), which probably originated from the miR390. Additionally, the miR482/2118-NB-LRR-siRNA pathway was found to be conserved, but evolved with distinct features, in apple and peach. Taken together, widespread and complex miRNA and tasiRNA regulatory networks have been adapted in apple and peach. They add another crucial layer of regulation on gene activity and stability, and must exert essential functions in all aspects of plant life. / Ph. D.

Le haricot commun est la légumineuse à graine la plus consommée au monde en alimentation humaine. Le génome du haricot possède plusieurs énormes clusters de gènes de résistance (R) qui ont la particularité de se cartographier en extrémité de groupes de liaison. Le génome du haricot commun (génotype Andin G19833) a été récemment séquencé et nous avons participé à ce projet en annotant la famille des NB-LRR (NL), classe prépondérante des gènes de résistance. Ces données génomiques nous ont permis de réaliser les 3 études suivantes. (i) L’identification des bases moléculaires de Co-x un gène R vis-à-vis d’une souche très virulente de C. lindemuthianum chez JaloEEP558 a été initiée. La cartographie fine de Co-x suivie du séquençage de la région cible chez JaloEEP558 (Co-x) a permis d’identifier un gène candidat codant une kinase atypique qui pourrait être la cible d’un effecteur fongique, gardée par un gène R. (ii) Des études récentes ont mis en évidence l’implication de petits ARNs (miRNAs induisant la production de phased siRNAs) dans la régulation de l’expression des NL. Le séquençage et l’analyse de banques de sRNAs de haricot nous ont permis d’identifier ce mécanisme et de mettre le doigt sur un nouveau mécanisme de régulation des NL impliquant des sRNAs de 24 nt. (iii) Des ADN satellites ont été étudiés à l’échelle du génome du haricot. L’étude des centromères de haricot a permis de mettre en évidence l’existence de 2 ADN satellites différents, Nazca et CentPv2. Nous avons également étudié un ADN satellite subtélomérique khipu précédemment identifié au niveau de 2 clusters de gènes R du haricot. L’étude de khipu à l’échelle du génome suggère l’existence d’échanges fréquents de séquences entre subtélomères de chromosomes non homologues. Ces résultats nous ont amenés à proposer que des éléments structuraux et une combinaison de mécanismes de régulation (TGS et PTGS) permettent la prolifération des NL sans effet néfaste pour la plante, conduisant à l’obtention de très gros clusters de NL dans le génome du haricot. / Common bean is the main source of protein for human consumption in many developing countries. Several huge disease resistance (R) gene clusters have been mapped at the end of common bean linkage groups. The common bean genome (Andean genotype G19833) has recently been sequenced. Access to the complete genome sequence of common bean allowed us to annotate the Nucleotide Binding-Leucine Rich Repeat (NL) encoding gene family, the prevalent class of disease R genes in plants, and to perform the 3 following studies: (i) We have investigated the molecular basis of Co-x, an anthracnose R gene to a highly virulent strain of C. lindemuthianum, previously identified in the Andean cultivar JaloEEP558. Fine mapping of Co-x and sequencing of the target region in JaloEEP558, allowed us to identify a candidate gene encoding an atypical kinase. We hypothesised that this atypical kinase is a fungal effector target. (ii) Several recent studies have highlighted the role of small RNA (miRNAs that triggered phased siRNAs production) in the regulating of NL gene expression. Analyses of small RNAs libraries of common bean led to the identification of this mechanism in common bean and also allowed us to propose a new NL regulation pathway involving 24 nt sRNAs. (iii) We have studied centromeric and subtelomeric satellite DNAs at common bean genome level. We have identified 2 different satellite DNAs in common bean centromeres, Nazca and CentPv2. We have also conducted the analyze of the subtelomeric satellite khipu, previously identified in common bean R clusters and confirmed that frequent sequence exchange occurs between non-homologous chromosome ends in common bean genome. Together, these results led us to propose that both structural elements and a combination of regulatory mechanisms (TGS, PTGS) allow the amplification of NL sequences without detrimental effect for the plant leading to the large NL clusters observed in common bean.

Switchgrass is a C4 perennial grass that is currently being developed for use as a second generation lignocellulosic biofuel crop. For switchgrass to be fully utilized as a bioenergy crop, large-scale plantings of elite switchgrass germplasm, possibly in monoculture, are likely to occur. This practice may increase the selection pressure on plant pathogens, such as switchgrass rust, which could result in devastating disease epidemics. The identification and deployment of quantitative trait loci (QTLs) and major plant disease resistance genes (R) in switchgrass breeding programs could offer broad spectrum and durable disease resistance in commercial switchgrass cultivars. 'Alamo', a lowland cultivar, is generally resistant to switchgrass rust whereas 'Dacotah', an upland cultivar, is highly susceptible. I hypothesized that major R genes and/or QTLs were contributing to the differences in disease phenotypes of these two cultivars. In this dissertation, bioinformatics and molecular biology approaches were employed to dissect the genetic mechanisms underlying switchgrass rust disease resistance. Novel pseudo-F2 mapping populations were created from a cross derived from 'Alamo' and 'Dacotah'. RNA-sequencing of the pseudo-F2 progenies of 'Alamo' x 'Dacotah' was used to construct a genetic linkage map and to identify potential QTLs correlating with disease resistance. In addition, a homology-based computational method was used to identify 1,011 potential NB-LRR R genes in the switchgrass genome (v 1.1). These potential R genes were characterized for polymorphism and expression differences between 'Alamo' and 'Dacotah'. Moreover, I found that some NB-LRR genes are developmentally regulated in switchgrass. One of the major objectives of switchgrass breeding programs is to develop cultivars with improved feedstock quality; however, changes in the components of the plant cell wall may affect disease resistance. I hypothesized that genetically modified switchgrass plants with altered cell wall components will respond differently than the wild-type to switchgrass rust. Transgenic switchgrass plants overexpressing AtSHN3, a transcription factor with known functions in epicuticular wax accumulation and cell wall deposition, were created. I found that AtSHN3-overexpressing transgenic switchgrass lines were more susceptible than wild-type plants in their response to switchgrass rust. Overall, the results of this dissertation provide a platform for elucidating the molecular mechanisms underlying resistance of switchgrass to switchgrass rust. These findings will help breeders create switchgrass cultivars with improved disease resistance, and will ultimately allow switchgrass to be used for sustainable biomass production. / Ph. D.

Diversiteten bland gener som ger resistens (R) mot infektionssjukdomar är mycket stor i växtriket, särskilt i den effektorutlösta klassen av försvaret. Denna artikel beskriver interaktioner mellan växters effektorutlösta fösvar och patogeners effektorproteiner och undersöker evolutionära och genetiska mekanismer för uppkomsten av ny resistens. R-genprodukter har en typisk domänstruktur och interagerar både direkt och indirekt med patogeners effektorproteiner.Vid kontakt med ett effektorprotein utlöses en försvarsrespons som kan förhindra fortsatt patogen tillväxt. Flera genetiska mekanismer verkar samtidigt på R-gener, något som resulterar i en hög hastighet för uppkomst av nya R-varianter. Den intima samevolution som existerar hos många patogen-växtsystem formar det evolutionära utvecklingsmönstret av R-gener. Diversifierande positiv selektion via den biologiska kapprustningsmodellen och bevarande negativ frekvensberoende selektion är båda viktiga samevolutionära processer. Denna artikel indikerar att växters immunförsvar är anpassningsbart och robust, men belyser också den kunskapsbrist som råder inom resistensforskningen. / The diversity among genes conferring resistance (R) against infectious diseases is very high in the plant kingdom, especially in the effector triggered class of defense. This article describes the interactions between the plant effector triggered immunity and pathogen effectors and examines the evolutionary and genetic mechanisms for the emergence of new resistance. R gene products have a typical domain structure and interacts both directly and indirectly with pathogen effectors. Upon contact with an effector a defense response is triggered that may prevent the further pathogen growth. Multiple genetic mechanisms act simultaneously on the R-genes, which results in a rapid diversification of novel R variants. The intimate co-evolution of many existing plant-pathogen systems form the evolutionary pattern of R genes. Diversifying positive selection via the biological arms race model and conservative negative frequency-dependent selection are both important coevolutionary processes. This article indicates that the plant immune system is adaptive and robust, but also highlights the lack of knowledge in plant resistance research.