Titre de l'écran-titre (visionné le 2 octobre 2023) / Le soya (Glycine max [L.] Merr.) est une culture de plusieurs milliards de dollars principalement utilisée pour l'industrie de l'élevage, l'alimentation humaine et aussi le biocarburant. Le Canada se classe au quatrième rang en termes de superficie, et cette dernière augmente chaque année. Avec l'augmentation de la superficie cultivée, les problèmes de ravageurs et de maladies ont également augmenté. Le pourridié phytophthoréen (PRR) est l'une des maladies les plus importantes du soya. L'oomycète Phytophthora sojae est l'agent pathogène responsable du PRR et représente chaque année un milliard de dollars de pertes pour l'industrie nord-américaine du soya. Ce pathogène attaque la plante à tous ses stades de croissance, entraînant souvent le besoin de semer de nouveau et même la perte complète de la récolte. Le moyen le plus efficace de réduire les pertes économiques causées par le PRR est d'utiliser des cultivars résistants à P. sojae. Ces cultivars possèdent des gènes de résistance (Rps) et, jusqu'à ce jour, 33 gènes Rps ont été répertoriés grâce à l'utilisation de marqueurs génétiques. Toutefois, seul le gène Rps11 a été cloné et identifié. Récemment, notre laboratoire a identifié des gènes candidat qui seraient possiblement des gènes Rps. Pour confirmer la fonction de ces gènes, il faut être en mesure de les exprimer par une plante sensible via la transformation génétique. Différentes méthodes telles que la transformation médiée par Agrobacterium ou la transformation biolistique génèrent des plants de soya génétiquement modifiés à partir de cals ou d'autres explants. Pourtant, ces techniques demandent beaucoup de main-d'œuvre et de temps, avec un faible taux d'efficacité. Lors de l'étude des gènes exprimés dans les systèmes racinaires, la technique de transformation par Rhizobium rhizogenes est idéale. Cet organisme, par le transfert d'un ADN aux cellules de la plante, cause une prolifération de fines racines « hairy root ». Cette méthode de transformation génétique a été régulièrement appliquée pour étudier la biologie des racines ou bien pour la production de métabolites secondaires, mais rarement pour étudier les interactions hôte-pathogène. Dans ce travail, la technique de transformation hairy-root a été optimisée pour caractériser la fonctionnalité des gènes candidats Rps contre P. sojae par des essais biologiques dans des systèmes hydroponiques. Dans un premier temps, nous avons testé plusieurs souches de Rhizobium rhizogenes et différentes méthodes d'inoculation pour optimiser le procédé qui donnerait le nombre maximum de racines transformées. En tant que gène rapporteur, RUBY a été sélectionné pour ses propriétés non destructives et son expression facilement identifiable dans les racines transformées. Afin d'optimiser la cassette d'expression pour les gènes candidat, la fonction de six promoteurs de soya a également été validée. Cinq promoteurs sur six ont présenté une expression du gène rapporteur dsRed2 supérieure au promoteur le plus couramment utilisé soit le CaMV35S. Pour les besoins de ces travaux, le promoteur du gène de l'ubiquitine a été choisi pour la conception de la cassette d'expression servant à héberger les gènes candidat Rps. À la suite de l'expression de ces gènes candidats dans les racines transformées, il devenait alors possible de tester la fonction de ces derniers par bioessai hydroponique. / Soybean (Glycine max [L.] Merr.) is a multi-billion-dollar crop primarily used to produce animal feed, food, and fuel. Soybean ranks fourth in terms of area, and the area under its cultivation is increasing every year. With the increase in cultivated areas, pest and disease problems have also increased. Phytophthora root rot (PRR) is one of the most important diseases of soybeans. The oomycete Phytophthora sojae is the pathogen responsible for the disease and accounts forbillion in losses annually for the North American soybean industry. This pathogen attacks the plant at all stages of growth, often leading to replanting or complete loss of the crop. The most effective way to reduce the economic losses caused by PRR is to use cultivars resistant to P. sojae (Rps) genes. Approximately 33 Rps genes has been identified. Many of these 33 Rps genes are linked to genetic markers, but only Rps11 has been identified and cloned. Our laboratory has identified putative sequences of Rps genes, and the functional characterization of these sequences must go through the transformation of soybeans. Different methods, such as Agrobacterium-mediated transformation or biolistic transformation, generate genetically modified soybean plants from callus or other explants. Yet, these techniques are labor-intensive and time-consuming, with a low efficiency rate. When studying genes expressed in root systems, the Rhizobium rhizogenes-mediated hairy root transformation technique is ideal. Hairy root transformation has been regularly applied to study root biology or secondary metabolite production, but rarely to study host-pathogen interactions. In this work, the hairy root transformation technique was optimized to characterize the functionality of candidate Rps genes against P. sojae by bioassays in hydroponic systems. First, we tested several strains of Rhizobium rhizogenes and different inoculation methods to identify the procedure that would yield the maximum number of transformed roots. As a reporter gene, RUBY was selected for its non-destructive properties and easily identified expression in transformed roots. We also validated the function of six soybean promoters using the optimized hairy root transformation system. Five of six promoters expressed the dsRed2 reporter gene better than the positive control CaMV35S promoter. Finally, the best promoter was used to design an expression cassette for candidate Rps gene from previously identified sequences, which can be used for functional characterization by hydroponic phenotyping. In conclusion, this optimized hairy root transformation will provide a rapid and reliable method to validate the function of putative Rps genes in the soybean- P. sojae interaction.

L’une des principales maladies attaquant le soya est la pourriture phytophthoréenne, causée par l’agent pathogène Phytophthora sojae. La méthode de lutte la plus efficace à ce jour pour contrer cet agent pathogène est la lutte génétique. Des gènes de résistance (Rps) se trouvant naturellement dans certaines lignées de soya sont introgressés dans des cultivars ayant un attrait pour l’agriculture. Cependant, pour définir quel gène Rps utiliser, il est essentiel de connaître les pathotypes de P. sojae se trouvant dans le sol, puisque les gènes Rps reconnaissent les gènes Avr caractérisant les différents pathotypes. Actuellement, les méthodes d’identification des nombreux pathotypes de l’agent pathogène sont des techniques de phénotypage longues et parfois imprécises. Cette étude présente donc le premier outil moléculaire ayant pour but de diagnostiquer rapidementet précisément les pathotypes de P. sojaese trouvant dans un échantillon de sol ou de tissus végétaux infecté. Une étude exhaustive de 31 isolats de P. sojae préalablement réalisée a permis d’identifier des marqueurs discriminants entre les haplotypes de virulence et d’avirulence pour les sept principaux gènes Avr retrouvés en Amérique. Des amorces spécifiques aux différents marqueurs ont été créées. Elles ont par la suite été adaptées afin de pouvoir être utilis.es simultanément dans une PCR multiplexe. Un taux d’efficacité à identifier les gènes d’avirulence présents chez différents isolats de P. sojae de 96% a été atteint lors de l’étude, Avr3a étant le seul gène à présenter des résultats aléatoires. Cela a donc ouvert la porte à d’éventuelles études plus approfondies sur l’interaction entre les gènes Rps3a et Avr3a. Le test sera de plus un outil précieux dans la prise de décision du cultivar à semer pour les producteurs, qui auront désormais accès à plus d’informations quant aux souches de P. sojaese trouvant dans leurs champs.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Le soja (Glycine max; L. Merr.) est, d'un point de vue économique et agronomique, la plus importante légumineuse au monde dont l'attrait principal résulte de sa capacité à produire de fortes teneurs en protéines et en lipides. Ses caractéristiques agronomiques et nutritionnelles précieuses ont induit une forte augmentation de la demande et ainsi des surfaces allouées à sa culture créant une nouvelle niche écologique qui favorise l'émergence d'agents pathogènes. Parmi eux, Phytophthora sojae (Kaufmann and Gerdemann), causant la pourriture phytophthoréenne du soja (PRR), est l'un des facteurs les plus limitants au Canada et ailleurs dans le monde. L'introgression de gènes de résistance à P. sojae (Rps), dans des cultivars à haut rendement, fut la méthode de lutte favorisée par les semenciers pour réprimer la PRR. Ce type de résistance, dite verticale, se caractérise par la capacité d'un unique gène Rps à conférer une immunité totale contre les souches de P. sojae possédant le gène d'avirulence (Avr) complémentaire. Cependant, le déploiement massif des gènes Rps dans des cultivars de soja a imposé une forte pression de sélection sur les populations de P. sojae qui ont ainsi évolué vers des pathotypes plus complexes et capables de contourner ce type de résistance. Une approche alternative serait d'exploiter la résistance horizontale (RH) conférée par plusieurs gènes ou loci à caractères quantitatifs (QTL). Étant multigénique, ce type de résistance, par rapport à la résistance verticale, est plus durable et efficace contre un large spectre de pathotypes. Utilisés en synergie, ces deux types de résistance sont indispensables pour maintenir l'efficacité de la lutte génétique contre la PRR à long terme et ainsi assurer une meilleure gestion de la culture du soja. L'objectif principal de cette thèse est d'identifier des marqueurs génétiques associés à la RH du soja contre P. sojae afin de permettre aux semenciers de développer des variétés de soja à haut rendement, adaptées aux conditions canadiennes et résistantes contre P. sojae. Afin d'y parvenir, trois études, qui font intervenir les derniers outils de génotypage du soja et de phénotypage du niveau de résistance à la PRR, ont été réalisées. La première étude est une cartographie génétique sur une population formée de lignées pures recombinantes (RIL) issues du croisement entre PI 449459 et Misty, deux lignées adaptées aux conditions canadiennes mais contrastées pour le niveau de RH contre P. sojae. Une approche de génotypage-par-séquençage (GBS) a permis de comparer les RILs sur la base de marqueurs génétiques hérités des parents. En parallèle, le phénotypage des RILs pour le niveau de RH a été réalisé à l'aide d'une nouvelle technique d'inoculation en hydroponie. Ceci a permis d'identifier deux QTLs associés à la RH contre P. sojae. Une analyse transcriptomique (RNA-seq) complémentaire a identifié des variations transcriptionnelles et nucléotidiques entre les deux parents, permettant ainsi de raffiner le nombre de gènes candidats à un seul par QTL identifié. À l'instar de la première étude, la seconde est aussi une cartographie génétique sur une population de RILs faisant usage d'un GBS et du phénotypage de la RH en hydroponie. En revanche, la population de RILs est issue du croisement entre les lignées PI 449459 et QS5091.50J qui ne sont pas contrastées pour le niveau de RH. La distribution des RILs et des parents pour le niveau de RH a suggéré qu'une nouvelle source de résistance, non exprimée chez les parents, a été générée durant la création de la population. Une analyse comparative des variations structurales et nucléotidiques des parents et de RILs a conduit à l'identification de deux SNP pouvant justifier l'amélioration de la résistance chez les RILs. Enfin, la troisième étude en est une d'association pangénomique (GWAS) de la RH du soja contre P. sojae. Un séquençage complet du génome de 357 accessions a permis de produire un génotypage offrant une couverture génomique inédite pour une étude de la résistance du soja. En parallèle, le phénotypage de la RH de ces 357 accessions a été réalisé en hydroponie. Les différents modèles statistiques utilisés, pour réaliser le GWAS, ont communément identifié un unique QTL ayant un impact majeur sur le niveau de RH. Ensuite, un unique gène candidat a été identifié et sa pertinence fut confirmée par une analyse d'expression par qRT-PCR entre des lignées sensibles et résistantes contrastées pour l'allèle au SNP le plus fortement associé. / Soybean (Glycine max L. Merr.) is, from an economic and agronomic point of view, the most important legume in the world. The interest for this crop results from its capacity to produce high levels of proteins and lipids. Its valuable agronomic and nutritional characteristics have led to a strong increase in demand and thus in the areas allocated to its production, creating a new ecological niche that favors the emergence of pathogens. Among them, Phytophthora sojae (Kaufmann and Gerdemann), causing Phytophthora root rot (PRR), is one of the most limiting factors in Canada and elsewhere in the world. The introgression of P. sojae resistance (Rps) genes into high-yielding cultivars has been the favored strategy by breeders to control PRR. This type of resistance, known as vertical, is characterized by the capacity of a single Rps gene to confer total immunity against isolates of P. sojae possessing the complementary avirulence (Avr) gene. However, the massive deployment of Rps genes in soybean cultivars has imposed a strong selection pressure on populations of P. sojae, which has led to the development of more complex pathotypes capable of by passing this type of resistance. An alternative approach would be to exploit the horizontal resistance (HR) conferred by several genes or quantitative trait loci (QTLs). Being multigenic, this type of resistance, compared to vertical resistance, is more durable and effective against a broad spectrum of pathotypes. Used in synergy, these two types of resistance are essential to maintain the long-term effectiveness of the genetic control against PRR and thus ensure better management of soybean crops. The main objective of this thesis is to identify genetic markers associated with soybean HR against P. sojae in order to allow breeders to develop high-yielding soybean varieties, adapted to Canadian conditions and resistant to P. sojae. In order to achieve this, three studies, exploiting the latest tools for soybean genotyping and phenotyping, were carried out. The first study is a genetic mapping analysis on a population of recombinant in bred lines (RILs) resulting from the cross between PI 449459 and Misty, two lines adapted to Canadian conditions but contrasted for their level of HR against P. sojae. A genotyping-by-sequencing (GBS) approach was used to compare the RILs on the basis of genetic markers in herited from the parents. In parallel, the phenotyping of RILs for the level of HR was performed using a new hydroponic inoculation assay. This allowed the identification of two QTLs associated with HR against P. sojae. A complementary RNA-seq analysis identified both expression and nucleotide variations between the two parents, thus refining the number of candidate genes to one per QTL identified. As in the first study, the second one also reports on genetic mapping on a population of RILs using GBS and HR phenotyping in hydroponic systems. Un like the first study, the population of RILs resulted from the cross between the lines PI 449459 and QS5091.50J, both exhibiting a high level of HR. The distribution of RILs and parents for their resistance to P. sojae suggested that a new source of resistance, not expressed in the parents, was generated during the creation of RILs. A comparative analysis of the structural and nucleotide variations between the parents and the more resistant RILs led to the identification of two SNPs that could explain the improvement in resistance. Finally, the third study is a genome-wide association analysis (GWAS) for HR of soybean against P. sojae. A whole-genome sequencing of 357 accessions was performed and provided data offering an unprecedented genome coverage compared to previous GWA analyses performed for disease resistance in soybean. In parallel, the phenotyping of these 357 accessions for the level of HR was carried out with the hydroponic assay. The different statistical models used to perform the GWAS have convergently identified a single QTL having a major impact on the level of HR. Within this QTL, a single candidate gene was identified and its relevance was confirmed by qRT-PCR analysis between the sensitive and resistant lines contrasted for the allele at the peak SNP.

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.