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DETERMINISME GENETIQUE DE LA RESISTANCE AUX
PATHOGENES
Résistance = peu ou pas de pathogène; peu ou pas de symptômes et d’effet sur l’hôte
Sensibilité = pathogène se multiplie facilement dans l’hôte, la plante hôte en est affectée (symptômes)
Agressivité tolérance
Interaction incompatible
Interaction compatible
Résistance ou le concept d’interaction compatible / incompatible
2-1 Un gène dominant ?
RR x rr
F1 Rr 100% résistants
F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles
Parents homozygotes
Rr x rr
F1 Rr rr 50% résistants 50% sensibles
F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles
Parent résistant hétérozygote
Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles :
Rr x rr
F1 Rr rr 50% résistants 50% sensibles
F2 ¼ RR ½ Rr ¼ rr ¾ résistants ¼ sensibles
x
Le rétrocroisement avec le parent résistant
= Résistance spécifique ou verticale fait intervenir deux facteurs, l’un de l’hôte (‘R’), l’autre du pathogène (Avr)
Avr1, avr2 avr1, Avr2
Génotype de l'hôte
R1 r2 Incompatible compatible
r1 R2 compatible Incompatible
Avr, gène d'avirulence; avr, gène de virulence
R, gène de résistance fonctionnel; r, non fonctionel
Nature de l'interaction
Génotype de l'agent pathogène
Types d'interactions Hôte / pathogène
Résistance ou interaction incompatible liée à la reconnaissance précoce et l’interaction entre le produit du gène R et le produit du gène d’avirulence ~ modèle « éliciteur / récepteur »
‘éliciteur’, produit par le pathogène et reconnue par la plante hôte
Voie de transduction de signaux
Gène Avr
Pathogène
Hôte
Gène R
‘récepteur’
Membrane plasmique, cellule hôte
Cytoplasme
Mbne plasmique
4 à 5 classes de gènes codant pour des protéines type R
Domaines TIR
NBS
LRR
RPS2Mi
LZ
NL6
Intracellular receptors
Cf
Recepteur LRRApoplasme
Ser/thr kinase
Domaine NBS
Xa21
Recepteur Kinase
Pto
Kinase
Environ 200 gènes de R dans le génome d'Arabidopsis (0.5-1% des gènes)
Arrangement en clusters
Résistance aux virus (poivron), nématodes (pomme de terre) et champignons (tomate)
Résistance Virus, oomycètes (tomate), champ et nématodes (P de T), champ et virus (poivron)
Conservation des positions des ‘clusters’ de gènes R mais pas de conservation sur la spécificité biologique (résistance à un type de pathogène)
2-2 Un gène récessif ?
ss x SS
F1 Ss 100% sensibles
F2 ¼ SS ½ Ss ¼ ss ¼ résistants ¾ sensibles
Parents homozygotes
sensiblerésistant
ss x Ss
F1 Ss ss 50% sensibles 50% résistants
F2 ss 100% résistants
Parent sensible hétérozygote
résistant sensible
= résistants
Cas des plantes strictement allogames ou auto-incompatibles :
ss x Ss
F1 Ss ss 50% sensibles 50% résistants
résistant sensible
F2 ss 100% résistants
x
Le rétrocroisement avec le parent résistant
Résistance monogénique récessive
• Résistance liée à la perte d’un facteur de sensibilité chez la plante hôte >>> facteur eIF4E
• Produit de l'allèle de sensibilité (dominant) est un régulateur négatif des mécanismes de défense >>> mlo
Résistance = Perte d’une fonction de l’hôte impliquée dans une interaction spécifique avec un facteur du pathogène
Résistance = Absence / suppression de cet inhibiteur du système de défense de la plante hôte
Cas du facteur d’initiation de la traduction, eIF4E : gène de résistance récessif aux potyvirus
eIF4G
eIF4E eIF4AComplexeeIF4F
= complexe d’initiation de la traduction des protéines cellulaires
Interaction diff. protéines dont eIF4A, eIF4E et PABP
eIF4G
eIF4E 4A
PABP
eIF3
Petite sous-unité ribosome 40Scoiffe
polyA
eIF4E place le complexe d’initiation sur la région 5’UTR de l’ARNm et eIF3 place le ribosome en amont de l’AUG
eIF4GeIF4E
4AeIF3
m7GAUG
AAA
eIF4GeIF4E
4AeIF3
m7GAUG
AAA40S
4APABP
eIF4E eIF3m7G 40S
AAA
4APABP
eIF4E eIF3m7G
AAA
60S
40S
60S
4APABP
eIF4E eIF3m7G
40S
AAA
Protéine de novo
Sensibilité de la plante hôte aux potyvirus par détournement ducomplexe d’initiation de la traduction
4APABP
eIF4E eIF3
40S
AAA
AAA
60S
4APABP
eIF4E eIF340S
Protéines virales de novo
4APABP
eIF4E eIF3
AAA
60S
40S
VPgAAA
ARN viral code pour une polyprotéine, comprend une protéine analogue de la coiffe en 5’ (VPg) et une queue de polyA en 3’
Synthèse des protéines virales par le complexe cellulaire
Résistance récessive s’explique lorsque le virus ne peut plus recruter le complexe cellulaire pour la traduction de ses propres protéines
4AeIF4G
eIF4E eIF3
eIF4E Gène codant pour la protéine eIF4E (ou son isoforme) muté au niveau des sites d’interaction avec la VPg
m7GAUG
AAA
Synthèse des protéines cellulaires
VPgAAA
Pas de synthèse des protéines virales
3- Résistance aux pathogènes : déterminisme complexe
• Résistance contrôlée par plusieurs gènes avec des variations quantitatives ~ quantitative trait loci (QTL)
Il existe en général des différences importantes dans la sensibilité (effets quantitatifs). Plusieurs locus en ségrégation influencent la variation du caractère, à laquelle des effets de milieu peuvent également contribuer.
QTL * À effet additif
Répond à une loi normale
Fréquence
Valeur du caractère
1
2
3
Plusieurs régions génomiques, indépendantes, mais la somme de leurs effets explique le phénotype (résistance)
1+2+3>>> 1+2 >>1 ou 2 ou 3 seuls
* À effet épistasique
QTL
+ ou -Ne répond pas à une loi normale
Ou l’écart à la normalité ……
Valeur du caractère
Fréquence
Epistasie engendre des ratios phénotypiques modifiés
9 3 3 1 Ratio phénotypique A - B - A - bb aa B - aa bb attendu
Aucune (4 phénotypes distincts) 9 3 3 1 9:3:3:1
Complémentarité entre A et B 9 9:7
Suppression dominante par A de l'allèle dominant B 3 1 13:3
Epistasie récessive de aa sur les allèles B et b 9 3 9:3:4
Epistasie dominante de A sur les allèles B et b 3 1 12:3:1
Gènes dupliqués 1 15:1
Type d'interaction
15
12
12
7
4
Evolution des gènes de R :
une course entre la plante et le
pathogène (coévolution)
Avr1, avr2 avr1, Avr2
Génotype de l'hôte
R1 r2 Incompatible compatible
r1 R2 compatible Incompatible
Avr, gène d'avirulence; avr, gène de virulence
R, gène de résistance fonctionnel; r, non fonctionel
Nature de l'interaction
Génotype de l'agent pathogène
Types d'interactions Hôte / pathogène
Pathogène P1 infecte l’hôte B mais pas A
BA
Hôte
P1 P2 Pathogène
Pathogène P2 infecte l’hôte A mais pas B
Plusieurs gènes de résistance possibles, distincts, chacun entraînantune résistance verticale à un pathotype donné du même pathogène
Exemple résistance à la rouille foliaire chez le blé peut impliquer jusqu’à 50 gènes R (Lr) différents (Feuillet et al., PNAS, 2003)
Gènes de résistance différents car :
- Propriétés biologiques différentes (résistance à des pathotypes différents)
ET- Gènes de résistance appartiennent à des locus différents, ou au même groupe de gènes (cluster) mais ce sont des gènes de résistance différents, ou même gène de résistance mais avec des variations allèliques expliquant les propriétés biologiques différentes
Le test d’allélisme
R1R1 x R2R2
Un gène ou deux gènes distincts ?
R1R1 x R2R2
R1 = R2
F1 R1R2
R1R1 ¼ résistants P1
R1R2 ½ résistants P1 et P2
R2R2 ¼ résistants P2
F2
R1 = R2
R1r1R2r2
9/16 résistants P1 et P2
3/16 résistants P2, sensibles à P1
3/16 résistants P1, sensibles à P2
1/16 sensibles à P1 et P2
Test d’allélisme
Test important et indispensable dans le cadre d’une gestiondurable de la résistance (cumul des résistances)
5- LE MARQUAGE DES GENES / QTL MAJEURS
- Les lignées (quasi)isogéniques
- La BSA (Bulk Segregant Analysis)
Lignées quasi-isogéniques= Lignées qui ont le même génotype, à l’exception d’un locus qui a fixé des allèles différents ou fixation des recombinaisons à l’état homozygote
R D R’ R D R’ R D R’
marqueur A B C
Locus marqueur C lié au gène introduit à partir de D
F1
F2
LR
ParentsX
La BSA
A A BB A B A BA B
… plus recombinants sensibles
A
B
A0
B0
A
B
RR
Bulk résistant Bulk sensible
F2
rr
… plus recombinants résistants
Rr
A
B B0
F1A0
autofécondation
A
B
A0
B0 R = gène majeurX
Le marqueur A est lié au caractère qualitatif évalué mais pas B
6- La cartographie de locus contrôlant la variation des caractères
quantitatifs
fondée sur la recherche de déséquilibres de liaisons entre locus marqueurs (moléculaires pplment car n’interfèrent pas avec le caractère quantitatif et peuvent saturer le génome) et locus contrôlant les caractères quantitatifs.
On recherche, par analyse de variance ou test de Student, une relation entre le génotype de chaque locus marqueur et la valeur du caractère quantitatif étudié
Pour cartographier des QTLs, il faut :
1) Disposer d’une descendance en ségrégation (pour avoir une relation entre déséquilibre de liaison et distance génétique)
2) « Génotyper » l’ensemble des individus de la descendance
3) Mesurer la valeur du caractère quantitatif pour tous les individus de la descendance
4) Analyse statistique pour rechercher les locus marqueurs dont le génotype est corrélé au caractère
GénotypagenaL1240mga
b45
P 3x
mo
va30
Pac10nb
X
sensible résistant
QTL
1 2
mga1/mga1 mga2/mga1 mga2/mga2
Exemple génotypage
On effectue une moyenne de chaque classe pour le caractère quantitatif étudié et une analyse de variance pour rechercher s’il y a des différences significatives entre ces moyennes
Différences significatives =Association entre les marqueurs mga, P3x et le caractère quantitatif étudié
Différences non significatives =Non association entre les marqueurs b45, mo … et le caractère quantitatif étudié
Individus F2
Détection de QTL marqueur par marqueur
Détection de QTL marqueur par marqueur : simple mais problème si faible densité de marqueurs sur la carte génétique ….
Détection de QTL à partir de plusieurs marqueurs ou Cartographie d’intervalle
Teste la présence d’un QTL dans un intervalle entre deux marqueurs par le calcul du LOD score = logarithme décimal du rapport de vraisemblance ou probabilité de présence d’un QTL sur un intervalle sur la probabilité de l’absence de ce QTL
Ex: LOD 2 signifie que la présence d’un QTL en un point donné est 100 fois plus probable que son absence; LOD 3 = 1000 fois …
Cartographie fine des QTLs
Effectif des descendances classiquement utilisées ne permettent pas une précision de la position des QTL inférieure à 15-20 cM (> centaines de gènes).
Cartographie fine de QTLs
1
2
3
45
67
Marqueurs moléculaires
PhénotypeS1, S2
S1, R2S1, R2
S1, S2R1, R2
R1, S2QTL1 se place entre m1 et m2QTL2 entre m5 et m6
Si on augmente le nombre de lignées analysées et le nombre de marqueurs placés (donc le nombre d’événements de recombinaison observés), on affine la position des QTLs
F1F2
Puis autofécondations / backcross à partir chaque individu F2
X
sensible résistantA B
QTL1
QTL2
R1, R2S1, S2
Lignées recombinantes, (quasi)isogéniques
Lignées I II III IV V VI