Muscadinia rotundifolia est une espèce de la famille des Vitaceae. C’est un sous-genre du genre Vitis, le deuxième sous-genre étant celui des Euvitis qui comprend l’espèce cultivée Vitis vinifera (2n=38). M. rotundifolia (2n=40) est une source de résistance aux maladies très importante pour l’amélioration de la vigne. Son génome commence seulement à être décrit avec deux cartes génétiques récemment publiées. Ma thèse a consisté à utiliser des ressources génomiques chez M. rotundifolia cv Regale (banque BAC, collection de séquence d’extrémités de BAC ou BES et séquences de BACs) pour caractériser le génome de cette espèce en comparaison avec celui de V. vinifera. Les résultats obtenus ne montrent pas de différence importante entre les génomes des deux espèces en termes de composition du génome en bases (GC%), en séquences codantes ou en éléments répétés. De même, à une échelle globale, la famille de gènes NBS-LRR semble être similaire en termes de nombre et de balance entre les sous-familles. A une échelle plus fine cependant (carte physique et séquences de BAC), des remaniements relativement importants sont observés dans des régions portant cette famille de gènes, aboutissant parfois à des contenus différents en gènes, de région normalement homologues : duplication différentielles de gènes, présence/absence de gènes. / Muscadinia Rotundifolia is a species of the Vitaceae family. It is a sub-genus of the Vitis genus along with the Euvitis sub-genus, which the cultivated species Vitis vinifera belongs to. M. rotundifolia (2n=40) is a very important source of resistance to diseases in grapevine breeding programs. Its genome is only starting to be described with the recent publication of two genetic maps. The present study aimed at using M. rotundifolia cv Regale genomic resources (BAC library, BAC end sequences or BES, BAC sequences) in order to characterize the genome of this species in comparison with the genome of V. vinifera. The results showed that there is no striking difference between the two species in term of base composition (GC %), repeats frequency and gene space. The NBS LRR gene family also seems to be globally quite similar between the two species in terms of numbers and balance between subfamilies. At a finer scale (physical map and BAC sequence), frequent rearrangements are observed in genomic regions carrying the NBS-LRR gene family sometimes clearly associated with a different gene content between the two species in homologous regions: differential gene duplication, presence/absence of genes.

La technique d’introgression par backcross est utilisée dans les programmes de sélection pour introduire des facteurs de résistance issus de Muscadinia rotundifolia chez la vigne cultivée, Vitis vinifera, tout en éliminant ses défauts culturaux et organoleptiques. Cependant, les croisements entre les deux espèces sont difficiles. C’est pourquoi il est nécessaire d’identifier (1) les caractéristiques génomiques limitant les croisements entre les deux espèces, (2) les caractères spécifiques de M. rotundifolia à éliminer. Pour cela, la morphologie, la phénologie et les métabolites secondaires des feuilles et des baies de chaque espèce ont été comparés pour identifier les caractères spécifiques de M. rotundifolia. Des cartes génétiques à haute-densité ont été établies pour trois populations de différents niveaux de pseudo-backcross et l’origine de chaque segment chromosomique a été déterminée. Les variations du taux de recombinaison le long des chromosomes et le déterminisme génétique des caractères spécifiques de M. rotundifolia ont été étudiés. / Backcross-based introgression has been used in French breeding programmes to transfer resistance factors from Muscadinia rotundifolia into cultivated grapevine Vitis vinifera while eliminating the unwanted cultural traits and off-flavours. However, crosses between the two species have a low success rate. In this context, it is essential to identify (1) the genomic features that impede crosses between the two species, (2) the traits specific to M. rotundifolia that have to be eliminated during crosses. To this end, morphology, phenology and metabolites of leaves and berries were compared in accessions of both species to identify traits specific to M. rotundifolia. Genotyping-by-sequencing was used to establish high-density genetic linkage maps of three mapping populations generated by pseudo-backcrosses and to determine the origin of each segment of the chromosomes. These maps were used to study variation of recombination rate along the chromosomes and to establish the genetic determinism of the traits specific to M. rotundifolia.

Les variétés traditionnelles de vigne nécessitent de très nombreux traitements phytosanitaires pour lutter contre les maladies cryptogamiques qui touchent leurs parties herbacées, comme le mildiou et l’oïdium, causés par Plasmopara viticola et Erysiphe necator respectivement. Ces traitements, coûteux et préjudiciables pour l'environnement, pourraient être réduits par l’emploi de variétés résistantes. La vigne cultivée européenne (Vitis vinifera, 2n=38) est très sensible au mildiou et à l'oïdium. En conséquence, la résistance doit être introduite à partir d’autres Vitaceae ayant un niveau de résistance plus élevé à ces maladies. Plusieurs origines de résistance ont déjà été observées et inventoriées, en particulier chez l’espèce d’origine américaine Muscadinia rotundifolia (2n=40). Ces facteurs sont d'un intérêt majeur pour la sélection de variétés résistantes. Cependant, lors du processus d'introgression, des difficultés à obtenir des pépins viables en F1 ainsi que des anomalies phénotypiques dans les descendances en rétrocroisement ont été constatées. Afin d’optimiser la gestion des résistances provenant de cette espèce dans les programmes d’amélioration variétale, il est nécessaire de comprendre l’organisation génétique et génomique de M. rotundifolia, et de compléter la connaissance des facteurs de résistance issus de cette espèce. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont : (i) de réaliser une analyse comparative des génomes de V. vinifera et M. rotundifolia et (ii) d’identifier de nouveaux facteurs de résistance chez M. rotundifolia utilisables à terme en sélection. Pour cela, une carte génétique de M. rotundifolia a été développée à partir d’une population de 200 individus issue de l’autofécondation de M. rotundifolia cv. Regale. Parallèlement, la même population a été testée pour son niveau de résistance au mildiou et à l’oïdium. Une carte génétique couvrant 950 cM a été réalisée. Elle comprend 191 marqueurs microsatellites répartis sur les 20 chromosomes de M. rotundifolia, et permet de conclure à un niveau de macrosynténie très élevé avec V. vinifera. Le groupe de liaison 20 de M. rotundifolia correspondrait à la partie inférieure du groupe de liaison 7 de V. vinifera. Par ailleurs, un QTL de résistance au mildiou a été détecté sur le groupe de liaison 18 de M. rotundifolia, au niveau d’une région riche en gènes de type NBS-LRR, et un nouveau QTL de résistance majeur à la l’oïdium a été mis en évidence sur le groupe de liaison 14 de M. rotundifolia. Ce QTL, nommé Ren5 pour ‘Resistance to Erysiphe necator 5’, montre une action précoce dans l’arrêt de la croissance du mycélium du pathogène, dès l’établissement des premiers stades de biotrophie du champignon. De plus, le QTL Ren5 a été confronté à deux souches supplémentaires d’E. necator, appartenant aux deux groupes d’oïdium retrouvés dans vignobles européens, contre lesquelles il reste efficace. Les données de cartographie génétique générées pour M. rotundifolia dans ce travail, ainsi que la mise en évidence de Ren5 et de son mode d’action, permettront d’améliorer la gestion des facteurs de résistance issus de cette espèce pour la sélection de variétés résistantes au mildiou et à l’oïdium. / Grapevine requires numerous harmful plant-health treatments, in particular to control downy and powdery mildews, caused by Plasmopara viticola and Erysiphe necator, respectively. One way to reduce the use of fungicides in viticulture is to create resistant grapevine cultivars. European cultivated grapevine (Vitis vinifera, 2n=38) is susceptible to mildews, whereas related species such as Muscadinia rotundifolia (2n=40) exhibit high levels of resistance. In breeding programs, resistance factors from these related species are introduced into the susceptible elite varieties. Nevertheless, difficulties in obtaining viable seeds in the siblings of Vitis x Muscadinia crosses are observed. In order to optimize the management of resistance factors from M. rotundifolia in breeding programs, it is necessary to understand the genomic organisation of this species, and to complete the knowledge of these factors. Thus, the main objectives of this work are : (i) making a comparative analysis of V. vinifera and M. rotundifolia genomes and (ii) identifying new resistance factors from M. rotundifolia. For this purpose a framework genetic map of M. rotundifolia cv. Regale has been created, using a 200 individual S1 population. This population has also been screened for its resistance to downy and powdery mildew. A 950 cM genetic map has been generated, including 191 SSR markers distributed across the 20 chromosomes of M. rotundifolia. A high level of macrosynteny has been observed between the Muscadinia map and the genetic maps available for V. vinifera. Linkage group (LG) 20 of M. rotundifolia matches with the lower part of V. vinifera LG7. Furthermore, a QTL for resistance to downy mildew has been identified on M. rotundifolia LG18, and a major QTL for resistance to powdery mildew has been mapped on LG14. The latest, called Ren5 for ‘Resistance to Erysiphe necator 5’, acts during an early stage to stop E. necator’s mycelium growth, since the first stages of biotrophy have been established for the fungus. Moreover, Ren5 has been confronted to two additional powdery mildew strains, belonging to the two European groups of E. necator, and it remained efficient. Gathering knowledge about the genetic organization of M. rotundifolia, and the mechanism and spectrum of action of newly identified resistance factors such as Ren5, will be useful to optimize the management of M. rotundifolia resistance traits in breeding programs aiming to create new resistant varieties to downy and powdery mildews

Le retrait des nématicides rend urgent la mise au point de méthodes alternatives de lutte contre les nématodes parasites des cultures et la création de variétés résistantes est une voie prometteuse. En vignoble, le nématode Xiphinema index a un impact économique élevé en transmettant le Grapevine fanleaf virus (GFLV), principal virus du court-noué de la vigne et première virose de la vigne à l’échelle mondiale. Des porte-greffe résistants vis-à-vis du vecteur X. index basés sur la source de résistance muscadine (Muscadinia rotundifolia) sont en cours de sélection chez la vigne afin de stopper ou retarder l’infection. Sur cette culture, une étude antérieure avait montré que ce nématode parthénogénétique méiotique est aussi capable de se reproduire (rarement) de façon sexuée. Un travail préliminaire de phylogéographie avait permis de révéler les groupes prédominants de diversité et de sélectionner des populations représentatives pour la création de lignées monofemelles. La durabilité de la résistance doit prendre en compte la diversité du nématode. Dans ce contexte, la thèse a d’abord complété et approfondi l’approche phylogéographique en utilisant une très large gamme d’échantillons originaires de l’aire mondiale de répartition de la vigne. Nos résultats permettent de proposer des hypothèses fortes afin de localiser l’aire native du nématode X. index au Moyen-Orient et de retracer ses itinéraires de dissémination à partir de l’Antiquité. IIs illustrent également le lien étroit depuis cette époque entre la dissémination du nématode et celle de la vigne domestiquée par l’homme. La deuxième partie de la thèse a évalué la durabilité de la résistance de matériel porte-greffe issu de la muscadine en serre (nématodes non virulifères sur plants entre 3 et 6 ans) et en vignoble (nématodes virulifères sur plants âgés de 16 ans). En serre, des accessions résistantes F1 ou BC1, préalablement obtenues à partir d’in vitro ou de boutures ligneuses, ont été inoculées avec un mélange de 4 lignées représentatives, chaque lignée étant traçable avec des marqueurs microsatellites. Nous avons montré que les nématodes issus de plants obtenus par multiplication in vitro surmontent progressivement la résistance tandis que le matériel issu de boutures exprime une résistance durable. La multiplication progressive des nématodes sur le matériel résistant uniquement dans le cas où il est issu d’in vitro écarte a priori l’hypothèse d’une adaptation génétique du nématode. Elle apparaît liée à une architecture différente du système racinaire chez les plants issus de ce type de multiplication, multiplication qui pourrait induire des changements physiologiques discrets mais durables dans les tissus racinaires apicaux à partir desquels les nématodes se nourrissent. Le génotypage des nématodes par microsatellites a permis de détecter un taux bas mais croissant d’individus hybrides entre lignées sur les plants âgés de 4 à 6 ans, ce qui confirme l’aptitude de multiplication sexuée précédemment observée en vignoble. Du fait que l’observation d’individus hybrides apparaît indépendante du type de propagation et du statut de résistance de la plante, nos résultats écartent l’hybridation comme mode d’adaptation du nématode qui serait à même d’expliquer le contournement de la résistance chez les plants issus d’in vitro. En vignoble, après 16 années, les nématodes ont été quasi-impossibles à détecter sur l’accession résistante BC1 qui est également peu affectée par les attaques virales, tandis que des effectifs de nématodes plus élevés ont été retrouvés sur une accession témoin sensible dont les plants sont par contre très majoritairement morts ou en dépérissement. Considérés globalement, nos résultats montrent que la stratégie de résistance basée sur la muscadine apparaît durable. Cette stratégie ciblée sur le nématode vecteur contribuera à réduire significativement l’impact du GFLV transmis par X. index. / The ban of most nematicides renders urgent control alternatives against plant-parasitic nematodes and breeding for resistant plant varieties is promising. In vineyards, the nematode Xiphinema index has a high economical impact by transmitting Grapevine fanleaf virus (GFLV), the main virus of ‘Court-noué’ disease and the first grapevine viral disease worldwide. Resistant rootstocks are being selected in grapevine, using Muscadinia rotundifolia (muscadine) as a resistance source to the vector, in order to arrest or delay GFLV transmission. In this crop, a previous study had shown that this meiotic parthenogenetic nematode is able to reproduce sexually (rarely) in the field. A preliminary phylogenetic work had allowed to reveal the predominant diversity groups and to select representative populations for the creation of single-female lines. Resistance durability is a real challenge that must consider the key information of the nematode diversity. In this context, the PhD project first completed and deepened our phylogeographical approach using an extended geographic coverage of the worldwide nematode distribution. Our results allow proposing strong hypotheses to locate the native area of X. index in the Middle-East and trace its dissemination routes from the Antiquity. They also highlight the close link since this epoch between dissemination of the nematode and domesticated grapevine by man. The second part of the PhD project has then evaluated the durability of muscadine-derived rootstock material in greenhouse (non viruliferous nematodes on plants aged 3 to 6 years) and field (viruliferous nematodes on plants aged 16 years) conditions. In the greenhouse, F1 and BC1 resistant accessions, previously obtained from both in vitro and hardwood-cutting propagation, were inoculated with 4 mixed representative X. index lines, traceable each with microsatellite markers. We showed that nematodes from plants obtained from in vitro progressively overcame the resistance while the material obtained from cuttings displayed a durable resistance. Nematode progressive multiplication in resistant accessions obtained only from in vitro removes a priori the hypothesis of a nematode genetic adaptation and appears linked to a different architecture of the root system in this propagation type. This type may have induced discrete but durable physiological changes in apical root tissues from where nematodes feed. Nematode microsatellite genotyping allowed detecting a low but increasing rate of hybrid individuals from 4 to 6 years, which confirms data from the vineyard. As the hybrid occurrence appears independent from the propagation type and the resistance status of the plant, our data discard hybridization as the mode of adaptation of the nematode underlying resistance breakdown from in vitro plants. In field conditions, after 16 years, nematodes were almost undetectable on the resistant BC1 accession, also almost unaffected by the viral attacks, while higher numbers were detected on a susceptible control accession, whose plants were by contrast in high majority dead or poorly vigorous. Taken all together, our results show that the muscadine-derived resistance strategy appears durable. This strategy focused on vector control will significantly contribute to reduce the impact of GFLV transmitted by X. index.

Les variétés traditionnelles de vigne nécessitent de très nombreux traitements phytosanitaires pour lutter contre les maladies cryptogamiques qui touchent leurs parties herbacées, comme le mildiou et l'oïdium, causés par Plasmopara viticola et Erysiphe necator respectivement. Ces traitements, coûteux et préjudiciables pour l'environnement, pourraient être réduits par l'emploi de variétés résistantes. La vigne cultivée européenne (Vitis vinifera, 2n=38) est très sensible au mildiou et à l'oïdium. En conséquence, la résistance doit être introduite à partir d'autres Vitaceae ayant un niveau de résistance plus élevé à ces maladies. Plusieurs origines de résistance ont déjà été observées et inventoriées, en particulier chez l'espèce d'origine américaine Muscadinia rotundifolia (2n=40). Ces facteurs sont d'un intérêt majeur pour la sélection de variétés résistantes. Cependant, lors du processus d'introgression, des difficultés à obtenir des pépins viables en F1 ainsi que des anomalies phénotypiques dans les descendances en rétrocroisement ont été constatées. Afin d'optimiser la gestion des résistances provenant de cette espèce dans les programmes d'amélioration variétale, il est nécessaire de comprendre l'organisation génétique et génomique de M. rotundifolia, et de compléter la connaissance des facteurs de résistance issus de cette espèce. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont : (i) de réaliser une analyse comparative des génomes de V. vinifera et M. rotundifolia et (ii) d'identifier de nouveaux facteurs de résistance chez M. rotundifolia utilisables à terme en sélection. Pour cela, une carte génétique de M. rotundifolia a été développée à partir d'une population de 200 individus issue de l'autofécondation de M. rotundifolia cv. Regale. Parallèlement, la même population a été testée pour son niveau de résistance au mildiou et à l'oïdium. Une carte génétique couvrant 950 cM a été réalisée. Elle comprend 191 marqueurs microsatellites répartis sur les 20 chromosomes de M. rotundifolia, et permet de conclure à un niveau de macrosynténie très élevé avec V. vinifera. Le groupe de liaison 20 de M. rotundifolia correspondrait à la partie inférieure du groupe de liaison 7 de V. vinifera. Par ailleurs, un QTL de résistance au mildiou a été détecté sur le groupe de liaison 18 de M. rotundifolia, au niveau d'une région riche en gènes de type NBS-LRR, et un nouveau QTL de résistance majeur à la l'oïdium a été mis en évidence sur le groupe de liaison 14 de M. rotundifolia. Ce QTL, nommé Ren5 pour 'Resistance to Erysiphe necator 5', montre une action précoce dans l'arrêt de la croissance du mycélium du pathogène, dès l'établissement des premiers stades de biotrophie du champignon. De plus, le QTL Ren5 a été confronté à deux souches supplémentaires d'E. necator, appartenant aux deux groupes d'oïdium retrouvés dans vignobles européens, contre lesquelles il reste efficace. Les données de cartographie génétique générées pour M. rotundifolia dans ce travail, ainsi que la mise en évidence de Ren5 et de son mode d'action, permettront d'améliorer la gestion des facteurs de résistance issus de cette espèce pour la sélection de variétés résistantes au mildiou et à l'oïdium.