Sabbagh Seyed Kazem

UNIVERSITE TOULOUSE III PAUL SABATIER U.F.R SVT

T H E S E

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSITE TOULOUSE III

Discipline : Biosciences vgtales

Spcialit : Phytopathologie Cellulaire et Molculaire

Prsente par

Seyed Kazem SABBAGH

Soutenue le 17 Janvier 2008 14 heures

Salle de Sminaire de lIFR40 Ple de Biotechnologie Vgtale,

Chemin de Borde Rouge, 31326 Castanet-Tolosan

Titre :

Adaptation la pntration racinaire de deux Ustilaginaceae parasites du mas : Ustilago maydis et Sporisorium reilianum Analyse microscopique et transcriptomique

JURY

Pr Patrice REY, ENITA de Bordeaux Rapporteur Dr Philippe REIGNAULT, Universit Littoral Cte d'Opale Rapporteur Pr. Grgory DECHAMP-GUILLAUME, ENSA de Toulouse Examinateur Pr Philippe DELAVAULT, Universit de Nantes Examinateur Pr Christophe ROUX, Universit de Toulouse Directeur de thse

UNIVERSITE TOULOUSE III PAUL SABATIER U.F.R SVT

T H E S E

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSITE TOULOUSE III

Discipline : Biosciences vgtales

Spcialit : Phytopathologie Cellulaire et Molculaire

Prsente par

Seyed Kazem SABBAGH

Le 17 Janvier 2008

Titre :

Adaptation la pntration racinaire de deux Ustilaginaceae parasites du mas : Ustilago maydis et Sporisorium reilianum Analyse microscopique et transcriptomique

JURY

Pr Patrice REY, ENITA de Bordeaux Rapporteur Dr Philippe REIGNAULT, Universit Littoral Cte d'Opale Rapporteur Pr. Grgory DECHAMP-GUILLAUME, ENSA de Toulouse Examinateur Pr Philippe DELAVAULT, Universit de Nantes Examinateur Pr Christophe ROUX, Universit de Toulouse Directeur de thse

Remerciements

Je tiens tout dabord spcialement exprimer ma gratitude de mon responsable de thse, Monsieur le Professeur Christophe ROUX pour le confiance quil ma tmoigne en me proposant ce sujet, pour sa disponibilit, sa gentillesse et son ouverture desprit tout au long de cette thse. Je remercie Professeur Guillaume Bcard de mavoir accueilli au sein de laboratoire et dans son quipe. Je remercie galement Dr. Nathalie Sjalon-Delmase pour ses conseils scientifique et sa disponibilit. Je tiens remercier Messieurs Patrice REY et Philippe REIGNAULT, Philippe DELAVAULT, Grgory DECHAMP-GUILLAUME ont accept de participer au jury de thse. Je les en remercie. Je tiens remercier galement professeur Ahmad SARRAFI pour son aide prcieuse sur le plan professionnel et galement Yves Martinez pour la dcouverte en toute dcontraction de la microscopie. Je remercie chaleureusement toute lquipe du Symbiose Endomycorhizienne et Signalisation chez les vgtaux (les chercheurs et les techniciens) ainsi que tous les personnel de laboratoire En fine, un grand merci ma femme, Dr. Mahta MAZAHERI et ma petite fille Sahel pour leur soutien chaleureux ainsi qu nos familles en IRAN. Cette thse a t ralise dans le cadre dune bourse accord par le Ministre de lEducation National et la Recherche en Iran. Jexprime ici mon remerciement pour le financement de mes tudes en France ainsi quau service de lEducation de lAmbassade d Iran en France.

1 Table des matires

Table des matires

Table des matires ____________________________________________________________ 1

Rsum _____________________________________________________________________ 4

Summary ____________________________________________________________________ 5

Prambule ___________________________________________________________________ 6

Introduction gnrale __________________________________________________________ 7

Le monde des champignons : de lobservation microscopique lobservation des gnomes _______ 7

Les types trophiques des champignons _________________________________________________ 9

Les Ustilaginaceae : des basidiomyctes parasites biotrophes facultatifs ______________________ 12

Les Ustilaginaceae au sein des Basidiomycotina _______________________________________ 12

Diversit des Ustilaginaceae ______________________________________________________ 14

Divergence de Ustilaginaceae et domestication des plantes _____________________________ 15

Le cycle des Ustilaginaceae _______________________________________________________ 16

Cycle typique et variations _______________________________________________________ 16

Mating-type chez les Ustilaginaceae ________________________________________________ 21

Solopathognie chez les Ustilaginaceae _____________________________________________ 23

Le mas, plante modle en pathologie vgtale ? ________________________________________ 24

Le mas _______________________________________________________________________ 24

Rsistance du mas aux charbons __________________________________________________ 25

La rhizosphre ___________________________________________________________________ 26

Le sol, une matrice entre les organismes du sol et les plantes ____________________________ 26

Les exsudats racinaires __________________________________________________________ 26

Rle des exsudats racinaires dans les tapes prcoces des interactions racinaires ____________ 27

Les strigolactones ______________________________________________________________ 28

Objectifs de la thse _______________________________________________________________ 30

1-Quel est le taux de souches solopathognes formes par diffrentes Ustilaginaceae ? _______ 30

2-Ustilago maydis est il un agent pathogne racinaire ? _________________________________ 30

3-Quelle est la rponse des Ustilaginaceae aux strigolactones ? __________________________ 31

CHAPITRE I Les formes solopathognes des Ustilaginaceae : une adaptation au mode de

dissmination ? ______________________________________________________________ 33

Avant Propos _____________________________________________________________________ 33

1-1 Rsum ______________________________________________________________________ 34

2 Table des matires

1-2 Introduction___________________________________________________________________ 34

1-3 Materials and Methods__________________________________________________________ 36

Fungal material _________________________________________________________________________ 36

Protocole of obtention of solopathogenic strains of S. reilianum __________________________________ 36

Comparison of fuzzy strain production _______________________________________________________ 37

Plant infection test ______________________________________________________________________ 37

Microscopic observations _________________________________________________________________ 37

Molecular analysis. ______________________________________________________________________ 37

1-4 RESULTS ______________________________________________________________________ 39

Isolation of fuzzy strains of S. reilianum ______________________________________________________ 39

Stable fuzzy strains of S. reilianum are monocaryotic and diploid __________________________________ 40

Monocaryotic diploid fuzzy strains of S. reilianum are solopathogen, but do not form sori ______________ 41

Frequency of production of solopathogenic strains differs according to Ustilaginaceae species __________ 41

1-5 Conclusion ____________________________________________________________________ 42

1-6 References ____________________________________________________________________ 44

CHAPITRE II - Ustilago maydis : un nouveau modle pour ltude des infections racinaires chez

les plantes hte et non-hte ____________________________________________________ 46

Avant Propos _____________________________________________________________________ 46

II-1 Abstract ______________________________________________________________________ 47

II-2 Introduction __________________________________________________________________ 47

II-3 Materials and methods __________________________________________________________ 49

Fungal strains and culture condition _________________________________________________________ 49

Plants and culture conditions ______________________________________________________________ 49

Microscopic observations _________________________________________________________________ 49

PCR detection __________________________________________________________________________ 50

Effect of GR24 on cell respiration ___________________________________________________________ 50

RNA extraction and RT-PCR ________________________________________________________________ 51

Primer design and qRT-PCR ________________________________________________________________ 51

II-4 Results _______________________________________________________________________ 53

Ustilago maydis infects maize roots _________________________________________________________ 53

Maize root infection by Ustilago maydis didnt cause symptoms___________________________________ 55

Ustilago maydis can infect Medicago roots ___________________________________________________ 55

A strigolactone analogue stimulates U.maydis cell respiration ____________________________________ 57

3 Table des matires

II-5 Discussion ____________________________________________________________________ 58

II-6 References ____________________________________________________________________ 60

CHAPITRE III - Analyse du transcriptome de Sporisorium reilianum en rponse au GR24, un

analogue de synthse de strigolactone ___________________________________________ 63

Avant propos _____________________________________________________________________ 63

III-1 Summary ____________________________________________________________________ 65

III-2 Introduction __________________________________________________________________ 65

III-3Experimental procedures ________________________________________________________ 66

Fungal strain and cultural condition _________________________________________________________ 66

GR24 induction _________________________________________________________________________ 66

Cell respiration _________________________________________________________________________ 67

RNA isolation and Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction (RT-PCR) _______________________ 67

Suppressive Subtractive Hybridization (SSH) __________________________________________________ 68

Probe labelling _________________________________________________________________________ 68

cDNA array and hybridization ______________________________________________________________ 69

Detection and quantification of hybridization signals ___________________________________________ 69

Sequence analysis and annotation __________________________________________________________ 70

Primers design __________________________________________________________________________ 71

RT-qPCR _______________________________________________________________________________ 71

III-4 Results ______________________________________________________________________ 71

GR24 increases cell respiration of S. reilianum _________________________________________________ 71

Construction of SSH cDNA libraries and macroarray design _______________________________________ 72

Hybridization of macroarray _______________________________________________________________ 73

cDNA sequence analysis __________________________________________________________________ 73

RT-q PCR ______________________________________________________________________________ 75

III-5 Discussion ____________________________________________________________________ 77

III-6 References ___________________________________________________________________ 78

Supplementary data _______________________________________________________________ 80

Discussion et perspectives _____________________________________________________ 85

Les Ustilaginaceae : modles fongiques dtude des interactions biotrophes parasites racinaires _ 85

Les Ustilaginaceae, modles dtude pour la perception des strigolactones ___________________ 88

BIBLIOGRAPHIE GENERALE _____________________________________________________ 92

4 Rsum

Rsum

Les Ustilaginaceae constituent une famille de champignons basidiomyctes parasitant essentiellement les

Poaceae (gramines). Les 33 genres constituant cette famille induisent sur leur hte une pathologie appele

charbon, du fait de la formation de sores remplis de millions de spores noirtres paroi paisse : les tliospores.

Une espce reprsentative de cette famille, Ustilago maydis, responsable du charbon commun du mas, sest

impose au cours des 3 dernires dcennies comme un modle majeur en pathologie vgtale pour 3 raisons

essentielles : i) linduction de la physiologie parasitaire, de mme que sa morphologie (transition levure-myclium)

sont contrles par les gnes de compatibilit sexuelle, ce qui a permis den tudier les mcanismes de

transduction de signaux ; ii) les nombreux outils molculaires disponibles (vecteurs de transformation, gnes de

slection, promoteurs inductibles) en font un modle de gnie gntique ; iii) le gnome de cette espce, mis

disposition de la communaut scientifique en avril 2004, permet dsormais denvisager des tudes globales

sappuyant sur des ressources gnomiques exhaustives. Si cette espce constitue un formidable outil de

laboratoire, les connaissances sur sa biologie restent encore incompltes. Mon travail de thse a consist tablir

les capacits dinfection racinaire dUstilago maydis en tablissant un comparatif avec une espce trs proche

phylogntiquement : Sporisorium reilianum f.sp. zeae. Cette dernire espce est responsable du charbon des

inflorescences du mas. S. reilianum infecte uniquement via les racines, crot in planta vers le mristme caulinaire

apical et sporule lors de la transition florale, aprs une vie biotrophe endophyte de plusieurs semaines. Dans une

premire partie de mes travaux, jai tudi la capacit de trois espces dUstilaginaceae produire des souches

solopathognes, souches infectieuses en absence de croisement avec une souche compatible. Il apparat une

corrlation entre la frquence de production de telles cellules et le mode de dissmination : frquente chez

lespce dissmine de faon arienne et rare chez lespce tellurique. La capacit dUstilago maydis est

intermdiaire, laissant supposer que la voie de pntration racinaire pourrait intervenir dans ltiologie de la

maladie. Jai ensuite suivi par diffrentes approches microscopiques et par PCR les processus de la pntration

racinaire du mas par Ustilago maydis. Aprs pntration, le champignon se dveloppe majoritairement de faon

intracellulaire et envahit les racines. Nos analyses de diagnostic PCR montrent que le champignon peut atteindre

les tissus vgtatifs ariens. La formation de sore na toutefois pu tre observe sur la varit teste. Ainsi la mise

en vidence de la capacit dUstilago maydis pntrer au niveau racinaire fait de cet agent pathogne, modle

gntique, une espce de choix pour tudier les mcanismes dinfection racinaire des plantes, particulirement en

comparaison avec des symbiotes racinaires biotrophes. Dans une dernire partie de mon travail, jai tudi la

perception par les Ustilaginaceae de molcules prsentes dans les exsudats racinaires : les strigolactones. Ces

composs induisent la respiration cellulaire dU. maydis et de S. reilianum. Une analyse du transcriptome par

construction dune banque SSH de S. reilianum en rponse un analogue de strigolactones a rvl une induction

rapide de gnes de la respiration et du dveloppement cellulaire. Ces molcules, dj identifies pour leur rle

signaltique dans linteraction plante parasite-plante hte et dans linteraction endomycorhizienne, pourraient

ainsi avoir une incidence plus large dans lorganisation de la flore rhizosphrique.

5 Summary

Summary

Ustilaginaceae are a family of basidiomycete fungi infecting grass plants (Poaceae). All species of

the 33 genera belonging to this family are responsive of a smut disease, due to the presence of sori full

of black encysted spores: teliospores. The representative species of this family, Ustilago maydis, the

causal agent of the common smut of maize, became since the 3 last decades a major model in plant

pathology. The discovery that mating type genes control parasitism induction and morphology (yeast-

hypha transition) allowed investigating of cell transduction mechanism. Second, this species is a model

in genetic analysis as many molecular tools were developed (transformation vector, selectable marker

genes, inducible promoters ). Third its genome is available since April 2004, and it is now possible to

perform global genetic studies based on complete genomic resources. Although this species is a

powerful tool for laboratory uses, some knowledge on its biology are still missing. My thesis work

consisted in evaluating the ability of two phylogenetically related Ustilaginaceae, U. maydis and S.

reilianum f.sp. zeae, to interact with plant roots. S. reilianum f.sp. zeae causes maize head smut. This

species infects maize roots, grows up to the caulinar apex as a biotrophic endophyte during several

weeks, then sporulates when floral transition is induced. In a first part, I compared the ability of three

species of Ustilaginaceae to produce solopathogen strains i.e. infectious strains in absence of mating. I

observed a correlation between the frequency of formation of solopathogenic form and the dispersal

way of each species: from a high frequency for airborne species to low frequency for soil-borne one. U.

maydis present an intermediate behavior, suggesting that root infection could participate in the etiology

of this disease. Root infection process was investigated in a second part by using different microscopic

techniques and PCR detection. After penetration, the fungus grows mostly intracellularly and invades

root tissue. PCR detection revealed that the fungus could migrate systemically up to the aerial tissue.

However we didnt observe formation of sori in the maize variety used. As conclusion, this result makes

U. maydis as a paradigm to study mechanism of root infection by a biotrophe pathogen. In a third part

of my works, I investigated the perception by U. maydis and S. reilianum of root exuded molecules:

strigolactones. These molecules induce the cell respiration on the two species. A transcriptomic SSH-

based analysis of a S. reilianum strain in presence of a strigolactone analogue revealed a rapid induction

of genes involved in cell respiration and in cell division. These molecules, already described in plant-

parasitic weeds and plant-arbuscular mycorrhizal fungi interactions, could be involved in a larger extend

in the establishment of the rhizospheric flora.

6 Prambule

Prambule

Ce travail constitue la conclusion de quatre annes de travaux au laboratoire Surface Cellulaire

et Signalisation chez les Vgtaux, UMR Universit Toulouse III-CNRS, dans lquipe actuellement

nomme Symbiose Endomycorhizienne et Signalisation Cellulaire dirige par le Pr Guillaume Bcard. Ces

travaux sinscrivent dans le projet dquipe qui porte actuellement sur ltude de la perception de

molcules impliqus dans les phases prcoces dinteraction plante-champignon endomycorhizien, et

moyen terme sur les mcanismes mis en jeu dans de dveloppement biotrophe in planta de ces

champignons. Ces champignons tant inaptes toute manipulation gntique (absence de systme de

transformation donc aucun promoteur valid ou systme de slection connus ; sexualit inconnue ;

plodie et taille du gnome controverses ; tentative de squenage du gnome en cours depuis 4 ans)

une stratgie dtude consisterait utiliser un organisme de validation des hypothses permettant

lexpression htrologue de gnes identifis sur les champignons endomycorhiziens par des techniques

transcriptomiques ou gnomiques. Les mots cls pour obtenir de tels organismes sont infection

racinaire et biotrophie . Cest dans ce contexte que sinsre dsormais ce travail, initi en 2002

aprs quil eut t observ une induction de la respiration cellulaire par les exsudats racinaires sur un

champignon du sol, Sporisorium reilianum.

7 Introduction gnrale

Introduction gnrale

Le monde des champignons : de lobservation microscopique lobservation des gnomes

Les champignons constituent un

phylum part entire parmi les eucaryotes.

Plus de 80000 espces sont actuellement

dcrites et nommes (Hawksworth DL. 2001).

Compar au vertigineux travail des

entomologistes qui ont propos prs de 1

million de binmes taxonomiques et autant de

descriptions, on pourrait croire la faible

diversit du groupe des champignons. Cette

image trompeuse peut tenir la discrtion et la

difficult dobservation des organismes

microscopiques. Prenant en compte les

espces collectes mais non dcrites, le

nombre despces associes au groupe des

insectes, les rgions du globe qui restent

encore explorer par les mycologues, que ce

soit les zones de forte diversit comme les forts quatoriales, mais aussi les zones o la curiosit

humaine sest peu exerce comme en milieu marin, certains auteurs ont estim plus de 1,5 million le

nombre despces fongiques (Hawksworth, 2001). Au rythme actuel des descriptions, de lordre de

quelques centaines despces nouvelles par an, il faudra quelques milliers dannes pour recenser la

diversit des espces existantes actuellement, et il est probable que nombre dentre elles auront

disparus avec la rgression des zones cologiquement fragiles.

La systmatique de ce vaste groupe dorganismes prsente bien des difficults. Principales

raisons cela, la raret des caractres ontogniques (bien peu de caractres ancestraux et drivs

peuvent tre dduits des processus de dveloppement chez les champignons) et la quasi-absence de

donnes palontologiques. Certes quelques clbres chantillons reliques sont disponibles, inclus dans

lambre fossile (Gewin, 2007; Poinar Jr & Buckley, 2007) ou observs dans des tissus vgtaux cas de

structure rappelant les structures arbusculaires des actuels champignons endomycorhiziens (Remy et

al., 1994). Mais ces chantillons sont rares, les champignons sont des organismes lappareil vgtatif

microscopique et se conservant peu. Ainsi ne sont disponibles pour tenter dtablir une classification

Figure 1 : L'arbre du vivant. Vision dartiste sur www.tolweb.org/tree/


naturelle des champignons que les seuls caractres morphologiques. Pour aussi perspicaces que furent

les mycologues dans leurs descriptions et leurs comparaisons, ils ne pouvaient chapper aux nombreux

piges de la convergence morphologique que leur tendaient ces espces aux caractres parfois trs

discrets. Lutilisation des donnes nuclotidiques dans les phylognies molculaires a dbut en milieu

des annes 70. Pour des raisons techniques, ces premires analyses ont t ralises sur des ARN

ribosomiques, abondants dans la cellule vgtale et pouvant tre spars par centrifugation. Ainsi ds

1984 tait propos une premire brve rvision de la classification des Ustilaginales par comparaison

des squences ARN 5S chez 10 espces dUstilaginaceae, isoles par centrifugation sur chlorure de

csium puis squences selon la technique de Sanger (Blanz & Gottschalk, 1984). Mais il faut attendre

lavnement de lamplification gnique par PCR en 1986 (Mullis et al., 1986) et surtout dans sa forme

actuelle en 1988 (utilisation de DNA polymrase thermostable, Saiki et al., 1988) pour voir ces

approches se dmocratiser dans les laboratoires. Lapplication en phylognie molculaire est immdiate

chez les organismes dont la diffrenciation sur la base des critres morphologiques tait difficile. Le

gne, avec lvolution graduelle de squence au cours des temps, devient la donne palontologique

qui faisait dfaut. En mycologie, la publication dun grand choix damorces ribosomiques dites

universelles (Bruns et al., 1991; Gardes & Bruns, 1993; White et al., 1990) permettra trs rapidement la

multiplicit des tudes. Des avances considrables ont t ralises ces dernires annes sur la

classification des champignons. La classification des champignons labore depuis deux cents ans a ainsi

t profondment remanie, aussi bien pour certaines grandes lignes (qui prtendrait encore que les

Oomycota, ex phycomyctes, sont encore des champignons ?) que dans le dtail des diffrents taxons.

Linterrogation de banques de donnes gntiques (Genbank, EMBL) au 8/12/2007 rvle que

68166 squences ribosomiques fongiques de type ITS1-5.8S-ITS2, 67070 squences 18S et 47792

squences 28S sont prsentes. Il ne faut pas pour autant en conclure que la quasi-totalit des espces

identifies ce jour (70 000) ont t analyses au niveau molculaire, de nombreuses redondances sont

prsentes, et linterrogation taxonomique ne recense que 12155 binmes d'espces fongiques.

Mais les mthodologies et les concepts sont tablis et les grandes lignes taxonomiques sont proposes

avec une plus grande robustesse des caractres. Le monde des champignons souvre nous avec une

nouvelle cohrence.

Ce recensement de la diversit et des ressources naturelles nen est qu ses dbuts que dj se profile

une nouvelle rvolution des connaissances. Genbank recense 10 gnomes fongiques complets, 65 en

cours dassemblage, et 46 en cours de squenage, soit 121 gnomes fongiques allant de 2,5 Mb pour

Pneumocystis murina 81.5 Mb pour Puccinia graminis (pour 193 gnomes animaux - allant de 104 Mb

pour un nmatode 3800 Mb pour le kangourou Macropus eugenii - et 46 gnomes vgtaux - allant de

212,5 Mb pour Ostreococcus tauri 2365 Mb pour le mas). Si lon prend en considration que GenBank

ne recense pas lensemble des gnomes disponibles ou en cours de squenage, on comprend que des


analyses comparatives tant sur la syntnie des gnomes que sur leur squence aient dj commenc

(Kuramae et al., 2006). Une tude rcente effectue sur 33 gnomes fongiques (Kuramae et al., 2007) a

valu la pertinence de 4852 gnes orthologues pour dfinir des phylognies, ainsi que les algorithmes

applicables pour de telles analyses multiples. A nen pas douter, le temps de la mtagnomique

fongique est arriv.

A travers ce bref aperu nous mesurons leffort consenti en systmatique et en gnomique fongique

depuis 15 ans.

Les types trophiques des champignons

La grande majorit des champignons sont saprotrophes, c'est--dire prolifrant sur de la matire

inerte, approximativement 10% de toutes les espces connues peuvent causer des maladies de la plante

(Hibbett et al., 2007). Qui des saprophytes ou des parasites seraient apparus les premiers ? Il nest pas

certain que cette question se pose en ces termes simplistes, mais elle rvle notre Il nest pas certain

que cette question se pose en ces termes simplistes, mais elle rvle notre mconnaissance actuelle de

lvolution globale des champignons. Des approches de phylognie globale base sur la comparaison de

plusieurs gnes (James et al., 2006) nont pu apporter de rponse formelle. Tout au plus ces auteurs

proposent que les premiers basidiomyctes furent parasites. En effet les rouilles (Urdiniomyctes) et

charbons (Ustilaginomyctes) sont en position basale de cette branche (figure 2). Rien ne permet de

certifier toutefois que lanctre des espces actuelles de ces groupes fongiques ntait pas saprotrophe.

La mtagnomique apportera peut tre de nouvelles rvlations sur ces rapports entre clades, mais ne

rpondra pas toutes les interrogations.


Figure 2 : phylognie des champignons. Analyse combinant six gnes. (James et al 2006)


Les mcanismes de parasitisme chez les champignons sont diversifis. Certains de ces champignons sont

des parasites obligatoires, associs leur plante hte tout au long de leur cycle de vie, tandis que

dautres parasites facultatifs ninfectent les plantes que pour accomplir une partie de leur cycle,

gnralement la reproduction sexue.

De nombreux parasites sont des biotrophes. Ce terme dans

son acception stricte signifie que le champignon tablie avec la

plante une zone dinterface. Parmi ces parasites, certains sont des

parasites biotrophes obligatoires (les agents des rouilles, de lodium)

dautres des parasites biotrophes facultatifs (les agents des

charbons). Une interface membrane membrane seffectue entre

cellule fongique et cellule vgtale. Une rgulation fine de la

signalisation cellulaire et de lexpression gnique, encore dcouvrir,

permet au champignon de se fournir en nutriments auprs de la

cellule vgtale. Ce type dinteraction, apparue trs tt dans les

interactions plante-champignon avec la mise en place de linteraction

mutualiste endomycorhizienne, a conduit M. Parniske proposer le

nologisme symbiosome pour dcrire cette zone dinterface

(figure 3 ; Parniske, 2000). Quoiquil en soit, ce procd

dinteraction semble avoir connu un certain succs dans les

diffrentes branches volutives des champignons.

Enfin nombreux champignons sont ncrotrophes, tuant les

cellules htes grce leur batterie de gnes dagressivit : toxines spcifiques ou non spcifiques,

scrtion denzymes lytiques, protases et inhibiteurs de protases. Ils peuvent ainsi rcuprer les

nutriments sur les ruines de la structure vgtale.

Cette diffrence dinteraction entraine des stratgies diffrentes de contournement des

ractions de dfense de lhte. Les champignons biotrophes obligatoires, tels que les agents des rouilles

et les odiums, tablissent un long contact intime avec leurs plants htes, retardant leur mort et limitant

les rponses de dfense de cellules, du moins durant les phases prcoces de linfection. Le squenage

du gnome dUstilago maydis vient de rvler la prsence de clusters de gnes codant pour de

nombreux petits peptides de fonction inconnue (Kamper et al., 2006). La dltion de ces clusters de

gnes ne permet plus lespce dtablir une interaction biotrophe avec la cellule hte et une

hypothse serait que ces peptides ont un rle de confusion des ractions de dfense de la cellule hte.

De leur ct les agents pathognes ncrotrophes sont moins prcautionneux avec les tissus infects : ils

peuvent causer la ncrose avant la pntration et ainsi crotre dans rencontrer de difficults.

Figure 3 : interaction biotrophes. (a) Haustoria de Peronospora (Oomycota) dans une cellule foliaire de msophylle (b) Haustorium de Blumeria graminis dans une cellule foliaire pidermique. (c) Arbuscule de Glomus sp. Dans une cellule racinaire corticale.


Les Ustilaginaceae : des basidiomyctes parasites biotrophes facultatifs

Les Ustilaginaceae constituent une famille de champignons pathognes responsables de maladie

des Poaceae appeles charbon, en raison de la formation de sores remplis de spores noirtres. Le

spectre dhte de ces agents pathognes est toujours trs troit. Cette particularit peut tre corrle

linteraction biotrophe que toutes ces espces tablissent avec leur hte. Cette interaction ncessite

une collaboration physiologique et gntique entre les cellules des deux organismes, et lon peut

admettre que ceci rsulte dune covolution troite entre les deux partenaires. Le parasitisme biotrophe

sur les Poaceae nest pas une spcificit des Ustilaginaceae : les agents des rouilles et de lodium par

exemple sont des parasites biotrophes majeurs en phytopathologie. Une distinction toutefois est que

ces derniers sont des parasites obligatoires, ne pouvant se maintenir que sur les cultures ou sur les

plantes adventices. Les Ustilaginaceae sont pour leur part des parasites biotrophes facultatifs, que lon

peut maintenir en culture sur un milieu glos riche. Il faut toutefois noter que dans de telles conditions,

on peut induire les premires phases de la sexualit (fusion de souches compatibles), mais cette fusion

ne se poursuit jamais par la caryogamie et linduction de la miose.

Les Ustilaginaceae infectent souvent les pices florales et limpact sur la production

agronomique peut tre lev (Agrios, 1988). La gestion des tolrances et le traitement des semences

ont contribu limiter fortement lincidence de ces maladies. Malgr tout, certains de ces agents

pathognes sont trs prsents sur les cultures. Tel est le cas dUstilago maydis, prsent dans toutes les

zones mascicoles, induisant des pertes pouvant atteindre sur varits sensibles 30 % de la production et

ncessitant un suivi strict dans le cas de production de mas semence. Par ailleurs, le dveloppement de

pratiques culturales plus respectueuses pour lenvironnement, limitant lutilisation de certaines

molcules antifongiques notamment dans le traitement de semence, remet sous les feux de lactualit

phytopathologique plusieurs de ces espces spcialises dans linfection des jeunes plantules en

germination.

Les Ustilaginaceae au sein des Basidiomycotina

Les basidiomyctes (Basidiomycotina) constituent une division des champignons qui regroupe

des espces caractrises par des miospores formes de faon exogne partir de cellules

spcialises, les basides. Cette division est forme denviron 22.300 espces distinctes, soit plus dun

quart des champignons dcrits actuellement. Morphologiquement, les Basidiomycotina ont t

traditionnellement diviss en Homobasidiomyctes (les champignons carpophore) et les

Heterobasidiomyctes parmi lesquels les tliomyctes (basides formes partir de spores dissmines :

agents responsables des rouilles et des charbons). Mais cette dichotomie a t invalide par les analyses

molculaires. Dsormais, sur la base de caractres morphologiques et molculaires (gnes ribosomiques


18S, ITS, 28S) trois groupes majeurs sont diffrencis : Agaricomycotina, Ustilaginomycotina et

Pucciniomycotina (Bauer, 1997; Begerow et al., 1997).

Figure 4 : Phylognie des Basidiomyctes. Ralise par comparaison des gnes ribosomiques LSU + SSU (Bauer et al., 2006)

La classe des Ustilaginomycotina regroupe tout au plus 70 genres, avec environ 1400 espces.

Ce sont tous des parasites des phanrogames. La question de la monophylie des espces responsables

de charbons sest pose. Les relations phylogntiques entre ces espces fongiques traditionnellement


regroupes dans la famille des Ustilaginales (genres Microbotryum, Sphacelotheca, Ustilago,

Sporisorium) ont t prcises par diffrentes analyses par comparaison des gnes ribosomiques

(Begerow et al., 1997; Roux et al., 1998). Ces analyses appuient la division des charbons en deux

groupes : les Ustilaginaceae s. str. regroupent les espces responsables des charbons sur inflorescences

des Poaceae et des Juncaceae, et les Microbotryaceae regroupent les espces responsables de charbon

sur diffrentes Dicotyldones (souvent au niveau des tamines), et sont inclus dans les

Pucciniomycotina.

Diversit des Ustilaginaceae

Les Ustilaginaceae constituent une famille dont la taxinomie a t fortement remanie ces

dernires annes.

Figure 5 : Phylognie des Ustilaginaceae. Ralise par comparaison des rgions ribosomiques ITS. La position relative dU. maydis et de S. reilianum est surligne en rouge (Roux, C non publi)


Cette famille comprend 600 espces connues ce jour (Piepenbring, 2003), toutes parasites des

Poaceae. Deux genres majeurs constituent actuellement cette famille : Sporisorium et Ustilago. La

distinction entre ces deux genres nest pas clairement tablie tant par les caractres molculaires que

par les caractres morphologiques. Les analyses bases au niveau des rgions ITS (internal transcribed

spacer, ITS1-5.8S-ITS2) rvle que lespce Ustilago maydis particulirement est un taxon intermdiaire

entre les Ustilago typiques et les Sporisorium (Stoll et al., 2005; Stoll et al., 2003).

Divergence de Ustilaginaceae et domestication des plantes

Hormis des relevs sur les anctres sauvages du mas, les teosintes Zea sp., Ustilago maydis est

une espce dcrite comme uniquement parasite du mas Zea mays L.. Sporisorium reilianum est une

espce parasite sur mas mais aussi sur diffrentes espces de sorgho. Il a t dfini que des populations

diffrentes infectent les 2 plantes, formant ainsi deux formes spciales : S. reilianum f.sp. zeae parasite

du mas, S. reilianum f.sp. reilianum parasite du sorgho. Frederiksen (Frederiksen, 1977) a montr par

des infections croises que cette distinction est justifie, hormis pour certaines varits de mas doux

qui se montrent hte de S. reilianum f.sp. reilianum. Etant donne la proximit phylogntique entre ces

deux espces, certains auteurs ont cherch dfinir si cette distinction entre ces deux espces

fongiques et entre formes spciales de S. reilianum pouvait tre concomitante la diffrenciation des

espces vgtales htes (Munkacsi et al., 2007). Au-del de ces deux espces, la question porte sur

lincidence de la domestication des espces vgtales cultives sur la sparation gntique de

populations dagents pathognes, et donc sur les processus de spciation.

Munkacsi et al. (2007) ont ainsi choisi quatre espces responsables de charbon : U. maydis

parasite du mas, S. reilianum parasite du mas et du sorgho, S. sorghi parasite du sorgho, S.

scitamineum parasite de la canne sucre. Par une analyse de vitesse de substitution au niveau de

plusieurs gnes fongiques (calculs dhorloge molculaires), et en prenant pour date de domestication

des espces vgtales -10.000 ans, les auteurs concluent une divergence des espces fongiques avant

le dveloppement de lagriculture du fait dune sparation des espces fongiques datant de plusieurs

millions dannes. La domestication des espces vgtales nest pas une chelle de temps susceptible

dtre lorigine des divergences actuelles des espces responsables de charbon des Poaceae, du moins

ces isolements gntiques ne sont pas encore perceptibles. Les auteurs analysent ensuite partir de

donnes historiques sur les civilisations andines la sparation entre formes spciales de S. reilianum. Le

fait que S. reilianum ntait pas rfrenc sur le mas avant lintroduction du sorgho au XVIIme sicle

dans le Nouveau Monde souligne que limpact de lHomme et de la domestication des espces vgtales

sur lapparition de ces formes spciales tiendrait dans ce cas lintroduction dune espce hte nouvelle

et une adaptation de souches prexistantes ce nouvel hte, et non une divergence ancienne de cet

agent pathogne.


Le cycle des Ustilaginaceae

La sexualit des Ustilaginaceae est lorigine de lintrt port ce groupe de champignons.

Deux raisons cela : i) ces champignons se dveloppent in vitro sous une forme levure, facile

manipuler ; ii) ce sont des champignons dimorphiques passant dune forme levure haplode saprotrophe

une forme filamenteuse dicaryotique parasite. Ainsi ds le dbut du XXme sicle (Hanna, 1929;

Kniep, 1926), il a t observ la possibilit deffectuer des croisements intra et interspcifiques qui ont

pour effet de gnrer des structures filamenteuses. Ces travaux, initialement trs descriptifs se sont

ensuite orients vers lhritabilit des facteurs de compatibilit et ont particip llaboration des bases

gntiques de la compatibilit fongique par Holliday (Holliday, 1974).

Les Ustilaginaceae sont le plus souvent htrothalliques, avec un systme de compatibilit

monognique-bipolaire (Ustilago hordei) ou dignique-ttrapolaire (Ustilago maydis). Comme la plupart

des Basidiomyctes, une longue phase dicaryotique est observe chez les Ustilaginaceae, mais celle-ci

nest observe quin planta.

Le parasitisme des Ustilaginaceae comprend gnralement trois phases :

1) Une phase saprotrophe o le champignon est prsent sous forme levure, peut crotre la

surface des tissus ou dans le sol. La fusion de deux souches compatibles gnre une souche dicaryotique

infectieuse.

2) Une phase biotrophie o le champignon se dveloppe dans les tissus infects sous forme

filamenteuse de faon le plus souvent intracellulaire. Ce dveloppement se caractrise par un

comportement biotrophe de linfection : le champignon traverse les cellules, entour dune membrane

de biotrophie. Cette phase du parasitisme, qui correspond une phase de croissance systmique plus

ou moins longue selon les espces, induit une trs faible symptomatologie.

3) Une phase ncrotrophe, observe la fin du cycle de dveloppement lorsque la sporognse

du champignon est induite.

Cycle typique et variations

Le cycle de vie typique gnralement propos pour les Ustilaginaceae est le cycle dUstilago maydis

Ustilago maydis


Figure 6 : illustration du cycle dU. maydis (Kamper 2006)

La figure 6a rsume ce cycle illustr dans les photographies suivantes. Comme toutes les Ustilaginaceae,

U. maydis produit dans des sores (Fig 6-b, g) des spores enkystes dicaryotiques qui assurent la

dissmination de lespce : les tliospores (Fig 6-i). Celles-ci sont dissmines par le vent et restent au

niveau du sol. Passe la mauvaise saison, la caryogamie seffectue au niveau des tliospores, puis une

baside se forme, produisant des basidiospores levuriformes haplodes saprotrophes (Fig6-c). Chaque

tliospores produit 4 types de cellules compatibles deux deux. Lors de la conjugaison cellulaire, les

cellules arrtent transitoirement leur cycle cellulaire en phase G2 (Garcia-Muse et al., 2003), forment

des tubes de conjugaison (Snetselaar & Mims, 1992; Spellig et al., 1994) et gnrent un filament

dicaryotique (figure 6-d). Ce filament va former une structure de type appressorium, lgrement renfle

(fig6-e, f), qui permettra linfection de lhte, le mas. Seules les parties ariennes semblent tre

infectes par cette espce. Cette infection gnre la formation dune galle : sores forms par des


cellules hypertrophies de lhte (dformation des organes) dans lesquels le champignon sporule (fig 6-

g, h, i), dtruisant les structures vgtales.

Plusieurs aspects de ce cycle ont t dcrits en dtail.

Lors de la formation de l'appressorium un matriel fibreux se produit entre l'appressorium et

le paroi de cellule hte qui pourraient indiquer la production d'adhsines (Snetselaar & Mims, 1993a).

Les appressoria constitus par U. maydis ne sont pas les structures trs prominentes mais apparaissent

seulement comme des gonflements en bout dhyphe, ils ne sont pas isols des hyphes par un septum

avant la pntration, et il n'y a aucune vidence de mlanisation. A ces gards, l'appressorium dU

maydis diffre sensiblement des appressoria produits par Magnaporthe grisea et Colletotrichum

graminicola o l'entre se produit par la force mcanique par mlanisation de lappressorium et

cration dune forte pression de turgescence (Bechinger et al., 1999; de Jong et al., 1997).

Plus rcemment, en utilisant des souches transformantes GFP, il a t montr que la

pntration peut prcder la formation de l'appressorium. Ceci a laiss suggrer un mode de

pntration principalement bas sur la libration denzymes lytiques (Snetselaar & Mims, 1992;

Snetselaar & Mims, 1993). La question qui reste adresser est comment le champignon parvient

arrter et rorienter sa croissance d'un angle de 90 degrs ce stade, comment des enzymes de

dgradation de la paroi cellulaire vgtale sont excrtes avec prcision au point d'entre. Comme par

ailleurs il n'a pas t possible de produire jusquici des structures d'infection in vitro, cela indiquerait le

besoin de certains signaux de la plante impliqus dans le dclenchement des mcanismes de

pntration, et accessoirement dans la diffrentiation dappressorium.

Bien que les parois cellulaires de la plantes htes soient traverses laissant passer les hyphes,

le plasmalemme de la cellule hte reste intact et sinvagine autour des hyphes intracellulaires

(Snetselaar & Mims, 1992). Plus prcisment, il sagit de pseudo hyphes : seules les parties apicales sont

viables. Les parties plus anciennes dgnrent, se vident de leur cytoplasme, sont deviennent isoles et

s'effondrent. Entre 3 et 4 jours aprs linfection, les hyphes commencent brancher et former des

tliospores. Les cellules vgtales deviennent alors ncroses. Les facteurs de contrle qui dclenchent

cette transition, susceptible d'impliquer des divisions mitotiques, sont actuellement inconnus. Ce

changement dramatique du mode de croissance concide avec le commencement du dveloppement de

tumeur autour de 5 jours aprs linfection. 9 jours aprs linfection, les structures fongiques sont

entours par un mucilage dont lorigine nest pas encore identifie (polysaccharides exsuds par le

champignon, produits de dgradation du contenu cellulaire).

Sporisorium reilianum f.sp. zeae

Appartenant la mme famille quU. maydis et parasitant la mme espce vgtale, S. reilianum

zeae est responsable du charbon des inflorescences (Matyac & Kommedahl, 1985a, b). Il fut dcrit pour


la premire fois par Khn en 1875, qui le nomma Ustilago reiliana en hommage au Dr Reil qui le

dcouvrit en Egypte en 1868. Ce champignon a t depuis observ dans toutes les rgions du monde. Sa

taxonomie actuelle est Sporisorium reilianum (Langdon & Fullerton, 1975).

Son cycle de dveloppement est comparable celui dU. maydis. Il convient toutefois den souligner les

diffrences.

La symptomatologie entre ces deux charbons diffre.

Dune part les sores forms par S. reilianum napparaissent

quau niveau des inflorescences, il ny a jamais de galle sur

lappareil vgtatif (do le nom donn la maladie : charbon

des inflorescences). Les sores correspondent la formation

damas noirtre initialement entoure dun priderme dorigine

fongique mais form en dehors des tissus de la plante : il ny a

pas formation de galle. Enfin le sore, form le plus souvent au

niveau de lpi, correspond une transformation totale de lpi

o seuls subsistent les faisceaux libro-ligneux du rachis et les

glumes. Il persiste rarement des grains lintrieur. Cette

disparition totale des grains de lpi explique que cette

pathologie ait une incidence forte sur les rendements : un

champ infect peut entrainer une perte de 80 % de la production. Dans une

moindre mesure, le sore peut se former au niveau de la panicule.

Sur lappareil vgtatif, un nanisme peut tre observ chez certaines lignes

de mas sensibles, mais ce symptme est rare chez les hybrides

commercialiss (Christensen, 1963).

Par ailleurs des taches chlorotiques peuvent apparaitre au niveau foliaire,

correspondant au dveloppement du champignon dans les tissus (figure 8 ;

Martinez et al., 1999).Ce symptme discret est difficile observer au champ.

Figure 7 : formation de sores sur panicule (haut) et pi (bas) par S. reilianum (gauche) et U. maydis (droite)

Figure 8 : taches foliaires dues la prsence de S. reilianum dans les feuilles de mas


S. reilianum est un champignon du sol infectant le mas

uniquement au niveau racinaire (Martinez et al., 2002). De fait linteraction

avec la plante se caractrise par une longue phase biotrophe, cest dire un

comportement de parasitisme aux effets attnus. De mme que pour U.

maydis, le champignon vient puiser ses nutriments au contact des cellules

htes, sans pour cela traverser leur plasmalemme et nuire durablement

lintgrit de ces cellules et de la plante. Cette phase de biotrophie est trs

longue puisque aprs infection racinaire au stade plantule, le champignon

crot vers le mristme caulinaire o il reste ltat biotrophe durant toute

la dure de croissance vgtative du mas (Martinez et al., 2002). Ce nest

que lors de linduction florale que le champignon va dvelopper une

physiologie ncrotrophe, dtruisant les prmices des pices florales et

formant le sore (figure 9). Il sagit donc dun cycle hmi-biotrophie, comme

U. maydis, mais fortement dcal dans le temps (quelques jours pour U.

maydis, plusieurs semaines pour S. reilianum). Cette caractristique en fait

un modle de choix pour ltude de la biotrophie chez les champignons

phytopathognes. Le cycle complet est illustr dans la figure 10.

Figure 9 : croissance biotrophe (haut) et ncrotrophe (bas) de S. reilianum selon le stade de dveloppement du mas

Figure 10 : cycle de vie de S. reilianum


Mating-type chez les Ustilaginaceae

Chez les Ustilaginaceae, la reproduction sexue implique des tapes spares dans le temps : i)

La fusion de cellules haplodes formant des hyphes dicaryotiques, ii) la caryogamie qui seffectue dans

les tliospores iii) la miose qui seffectue lors de la germination de la baside avec migration des 4

noyaux haplodes, puis sporulation des cellules de la baside.

La fusion cellulaire est donc une tape importante de

la sexualit. Elle est gre par des gnes de

compatibilit cellulaire ou mating type (facteurs

daccouplement) : les gnes MAT. La fusion seffectue

entre types cellulaires de compatibilit diffrente. Il a

t mis en vidence par des expriences de

croisement (figure 11) quun nombre limit de gnes

contrlent la compatibilit. Selon les espces, un ou

deux gnes interviennent avec une variabilit

alllique qui diffre selon les espces et les gnes.

Ainsi chez U. hordei, agent du charbon de lorge, deux types cellulaires sont forms lors de la

germination des tliospores, correspondant deux allles dun mme gne (MATA1, MATA2) (bakkeren,

1993). Ce systme est appel bipolaire car une tliospore va gnrer 2 types de cellules (a1 ou a2),

compatibles 2 2. Chez U. maydis, deux gnes sont impliqus (MATA et MATB), avec deux allles pour

le gne MATA (MATA1 et MATA2) et plus de 40 allles pour le gne MATB (Holliday, 1974). Ce systme

de compatibilit est appel ttrapolaire car une tliospore va gnrer 4 types de cellules (a1b1, a1b2,

a2b1, a2b2), compatibles 2 2. Les tudes molculaires menes dans les annes 90 ont permis de mieux

comprendre ces mcanismes. MAT A et MATB constituent des loci sur lesquels sont prsents plusieurs

gnes. Les allles du locus MATA (figure 12) sont idiomorphes (squences diffrentes sur le mme

locus), constitu notamment dun gne mfa1-2 codant pour une phromone de type lipopeptide qui

sera perue par un rcepteur produit par le gne pra1-2 prsent sur le locus complmentaire.

Figure 11 : formation d'une zone de confrontation filamenteuse entre deux colonies levuriformes compatibles


Figure 12 : organisation des loci MATA, MATB et schma dinteraction des protines codes par les gnes BE et BW chez U. maydis

La cytoduction est contrle par le locus MATA, mais linduction de la croissance filamenteuse et

lentre en phase parasitaire ncessite la prsence dallles MATB diffrents (Kahmann et al., 2004). Le

locus MATB code entre autres pour deux facteurs de transcription avec des homodomaines trs

conservs dans leur rgion N-terminale (exons IIbE et IIbW), mais variables dans leur rgion C-terminale

(exons IbW et IbE). Les protines bW et bE forment des dimres, mais uniquement par des

combinaisons provenant de locus b diffrents : protines bW1 et bE2, et entre bW2 et bE1 (Kahmann et

al., 1995). Lhtrodimre ainsi form un rle de facteur de transcription permettant lexpression de

gnes impliqus dans les processus de filamentisation et de pathognie. Lidentification des gnes cibles

des facteurs de transcription htrodimrique a dbut (Brachmann et al., 2001), mais une avance

importante est attendue avec lutilisation de puces Affymetrix reprsentatives du gnome dU. maydis

(6200 gnes estims, Kamper et al., 2006). En effet, depuis 2003, le gnome de cette espce a t

squenc et mis disposition de la communaut scientifique

(http://www.broad.mit.edu/annotation/genome/ustilago_maydis/Home.html ). Lobjectif est alors de

mettre en vidence les rseaux dexpression de gnes. Le dfi sera de prolonger ces tudes aux tapes

o le champignon se dveloppe l'intrieur du tissu vgtal.


Ces tudes sur U. maydis ont permis de dfinir plus prcisment les gnes de mating sur

dautres Ustilaginaceae. Dans un premier temps, il a t dfini que des rgions les loci a et b hybridaient

avec des ADN de nombreuses espces dUstilaginaceae (Bakkeren et al., 1992), y compris les espces

bipolaires. Dautres tudes ont permis de dfinir que les espces bipolaires comme U. hordei prsentait

bien des loci MATB en plus du locus MATA (Bakkeren & Kronstad, 1993), mais les 2 loci tant lis, ils co-

sgrgent pour ne laisser apparaitre que deux types de compatibilit (Anderson et al., 1999). Plus

rcemment, une tude permis de dcrire le systme de compatibilit chez S. reilianum zeae. Cette

espce est ttrapolaire comme U. maydis est lorganisation des gnes est trs comparables dans les 2

loci MATA et MATB, a tel point que des complmentations fonctionnelles ont pu tre ralises

(Schirawski et al., 2005). Curieusement, lanalyse de souches collectes dans diffrentes zones du globe

a rvl quil existait 3 allles pour le locus A (5 allles pour le locus B).

Solopathognie chez les Ustilaginaceae

Certaines souches dUstilaginaceae peuvent infecter la plante hte sans ncessit de croiser

avec une souche compatible pour tre pathogne, de telles souches sont dites solopathognes. Il sagit

de souches infectieuses stables (les souches dicaryotiques ou diplodes tant normalement instables

chez les Ustilaginales). Plusieurs types de souches solopathognes ont t obtenus chez U. maydis ou

dautres Ustilaginaceae.

Les souches solopathognes naturelles.

Chez les Ustilaginales, la solopathogenie a t observe dans les essais disolement partir de

tliospores en germination. Chez Tilletia caries, certaines souches issues disolements monospores ne

fusionnent avec aucune souches haplode de cette espce normalement htrothallique (Kendrick E.L.,

1960, 1975). Chez Ustilago maydis la solopathognie serait assez frquente (de lordre de 1%,Holliday,

1974). Ces lignes monospores conservent leur capacit parasitaire pendant 30 repiquages, alors que

dautres sont redevenues non pathognes aprs quelques mois. De telles souches seraient

monocaryotiques (Chilton S.P., 1938, 1943; Christensen J.J., 1931; Eddins A.H., 1929). Lexistence des

souches solopathognes a t interprte par la prsence dun facteur hrditaire dont laction se

manifesterait par des accidents miotiques (Chilton S.P., 1938, 1943; Christensen J.J., 1931). A vrai dire

lorigine et le rle de telles souches sont totalement mconnus, et hormis des travaux anciens, il na

gure t port dintrt sur ces souches solopathognes naturelles.

Souches solopathognes artificielles.

Parmi les premiers travaux de gntiques raliss sur U. maydis, lintrt sest port initialement

sur le contrle de la filamentisation. Suite aux travaux de Holliday (1974), plusieurs publications ont

port sur la recherche de mutants EMS ou UV drguls pour leur filamentisation. Flora Banuett et Ira

Herskowitz (Banuett & Herskowitz, 1988) ont gnr des souches solopathognes stables par


croisement de souches auxotrophes compatibles obtenues par mutations chimiques sur les souches

FBD1 et FBD2 isoles par Holliday. Aprs croisement et slection sur milieu carenc, les souches ayant

complment sont solopathognes. Ces souches (FBD11, FBD 12) sont toujours utilises dans les travaux

rcents pour valider lexpression de gnes, 20 ans aprs avoir t obtenues.

Souches solopathognes haplodes.

La mise en vidence du rle du locus MATB et des htrodimres bEx et bWy dans linduction de

la filamentisation et du parasitisme a entran la mise en place de stratgie dobtention de souches

haplodes infectieuses par transformation. Cette stratgie a consist transformer des cellules dun type

de compatibilit donne avec une squence codant pour lallle complmentaire. Ainsi la souche CL13

par exemple (a1 bE1 bW2) a-t-elle t gnre (Bolker et al., 1995). L'expression un niveau lev du

complexe bE/bW dans des cellules haplodes transformantes est suffisante pour l'induction de la

croissance filamenteuse. Ces souches prsentes un grand intrt dans les tudes gntiques :

lutilisation de souches haplodes permet de raliser les exprimentations de dltion de gnes

impliqus dans linfection ou de complmentation fonctionnelle bien plus aisment que sur des souches

diplodes. Les validations dinfection sont plus rapides raliser car ne ncessitent par de croisement

pralable. Une limitation est videment que ces infections ne permettent pas une sporulation, la miose

ne pouvant tre induite sur une souche haplode.

Le mas, plante modle en pathologie vgtale ?

Lespce vgtale hte dUstilago maydis et de Sporisorium reilianum tant le mas cette

introduction dcrit quelques points particuliers de cette espce et de son interaction avec des agents

pathognes fongiques.

Le mas

Le mas (Zea mays L.ssp.mys) est une gramine de la famille des Poceae, sous famille de

Panicoideae. Le mas, originaire dAmrique centrale tait la culture dominante chez les Incas, les

Mayas, les Aztques ainsi que chez certains peuples du sud-ouest des Etats-Unis. Le mas constituait la

base de lalimentation de toutes la civilisation prcolombienne et ce titre tait vnr comme lun des

principaux dieux chez les Aztques et les Mayas. Les premiers mas dcouverts dans cette rgion datent

de 7000 ans et seraient le rsultat de la domestication dune varit mutante de tosinte par les

civilisations amrindiennes (Kato, 1984). Certains auteurs proposent que lanctre du mas moderne

puisse tre une varit de tosinte diplode (n=10), Zea mays ssp. Parviglumis , originaire des valles du

sud-ouest de Mexico (Matsuoka et al., 2002). Les mas cultivs de nos jours prsents encore 78% de la

diversit des mutations silencieuses observes chez Zea mays ssp. Parviglumis (Rafalski & Morgante,

2004). Si les premiers mas furent imports en Europe au dbut du XVIme sicle, le dveloppement de

cette culture date surtout des annes 1950 avec limportation des premiers hybrides en provenance des


USA (Meyers et al., 2001). Ces hybrides ont de multiples avantages agronomiques, le haut niveau de

production, mais aussi une meilleure rsistance aux agents pathognes que leur confre la vigueur

hybride.

Sil a un grand intrt agronomique (encore accru par la volont politique de transformer une

partie de la production en biothanol), si de nombreuses pathologies de cette plante sont tudies, et si

la premire plante gntiquement modifie commercialise est un mas (mas Bt), le mas nest pas

encore un grand modle gntique pour la phytopathologie. Il possde au moins deux caractristiques

dfavorables : lnorme taille de son gnome (2400 Mb 3000 Mb pour Homo sapiens) et un trs fort

contenu en squences rptes (80-85% du gnome) impliquant massivement des lments mobiles. Le

mais est considr par certains comme le plus grand cimetire de rtrotransposons qui constituent

entre 65 et 70 % de son gnome (Meyers et al., 2001). Malgr cela le squenage de son gnomes est

en cours et de nombreuses ressources gnomiques annotes sont dj disponibles

(http://maize.tigr.org/ , www.maizegdb.org/map.php ).

Rsistance du mas aux charbons

Les charbons du mas tant des pathologies trs prsentes, plusieurs travaux ont port sur

lanalyse de la rsistance cette maladie. Un premier point souligner est quil na t identifi aucune

rsistance totale chez le mas ces agents pathognes. Il ne sagit pas dune impossibilit intrinsque

lie au mcanisme dinfection trs particulier des agents pathognes responsables de charbon

(biotrophes induisant peu de symptmes avant la sporulation), un gne davirulence Avrh1

correspondant au gne de rsistance Ruh1 ayant t identifi sur Ustilago hordei (Linning et al., 2004).

Les recherches nont permis lheure actuelle que didentifier des rsistances partielles. Des

croisements entre des varits plus ou moins tolrantes U. maydis montrent que la rsistance est

polygnique. Selon les gnotypes et les souches utilises, certaines tudes suggrent la prsence de QTL

(Quantitative trait Loci) contribuant fortement la rsistance (Lubberstedt et al., 1999; Parisseaux &

Bernardo, 2004), dautres indiquent la prsence de nombreux gnes mineurs (Kerns et al., 1999;

Lubberstedt et al., 1998). Par ailleurs, les facteurs environnementaux affectent la rsistance U.maydis.

Les rsultats obtenus rcemment montrent que plusieurs QTLs contribuent la rsistance dans

diffrents tissus du mas. Ainsi certains loci contribuent prfrentiellement la rsistance au niveau des

pis et des inflorescences (Baumgarten et al., 2007).

Divers gnotypes tolrants S. reilianum ont t identifis. Certains des QTL identifis sont

majeurs, et prsentent surtout un effet additif, mais ils ne sont que trs partiellement communs ceux

dfinis sur U. maydis (Lu & Brewbaker, 1999; Lubberstedt et al., 1999).


La rhizosphre

Le sol, une matrice entre les organismes du sol et les plantes

La rhizosphre constitue une

zone de sol un espace autour des

racines des plantes dfinissant des

microrgions du sol en contact direct

avec les racines des plantes

suprieures. Le sol rhizosphrique est

notamment caractris par une flore

fongique et bactrienne trs

spcifique (Walker et al., 2003b). A

lorigine de cela, les abondants

exsudats racinaires mis par les

plantes, dont on diffrencie les rhizo-

dpts -forms de composs

organiques issus du mtabolisme

primaire et exsuds en quantit

apprciable (sucres, acides amins)-

des autres nombreuses molcules

issues du mtabolisme secondaires,

exsudes en quantit souvent

infinitsimale. Ces molcules exsudes

constituent un vecteur de dialogue

molculaire entre la plante et les organismes de la rhizosphre (figure 13).

Les exsudats racinaires

les racines de plantes scrtent continuellement des composs dans le sol (Bais et al., 2001;

Gleba et al., 1999). Ces exsudats racinaires inclus la scrtion dions, d'oxygne, deau libre, denzymes,

de mucilage, et de molcules carbones varies, mtabolites primaires et secondaires (Bertin et al.,

2003; Uren, 2000). Si une grande partie des mtabolites exsuds sont considrs comme des dchets

mtaboliques, cette vision est plus lie la mconnaissance du rle de ces molcules. Pour dautres

composs, leur rle dans la lubrification ou la dfense contre les agents pathognes a pu tre

dmontre (Bais et al., 2004; Uren, 2000).

Lexsudation de molcules peut tre un mcanisme actif. Les molcules exsudes sont transportes

travers la membrane cellulaire vers lenvironnement (la rhizosphre). Des exsudats sont aussi librs par

Figure 13 : dialogues molculaires au niveau de la rhizosphre (Biais et al 2006)


des cellules de la coiffe, qui se dtachent ensuite mais demeurent viables quelque temps dans

lenvironnement rhizosphrique.

On diffrencie souvent deux classes de composs parmi les exsudats racinaires : i) Les molcules en de

faible poids molculaires tels les acides amins, organiques acides, les sucres, phnoliques, et les autres

mtaboliques secondaires reprsentent une grande partie de la diversit des exsudats racinaires ii) les

molcules, ou macromolcules de haut poids molculaire, tels le mucilage (polysaccharides) et les

protines, moins diversifis mais composant une grande proportion des exsudats racinaires en masse

(de lordre de 90 % du carbone exsud chez le mas). Les exsudats racinaires reprsentent un cot non

ngligeable pour la plante en terme de carbone relargu (Marschner, 1995), mais l'importance des

photosynthtats scrts dans les exsudats de racine est variable selon le type du sol, l'ge, l'tat

physiologique de la plante et la disponibilit de matire nutritive (Brady & RR., 1999; Brimecombe et al.,

2001). Les implications des molcules exsudes dans des processus biologiques ont t dfinies pour

certaines dentre elles, mais pour beaucoup ce rle reste dcouvrir (Bais et al., 2001; Bais et al., 2003a;

Bais et al., 2003b; Kneer et al., 1999).

Rle des exsudats racinaires dans les tapes prcoces des interactions racinaires

De nombreux travaux ont port sur le rle biologique des mtabolites secondaires mis par les

plantes (Walker et al., 2003a). Il y a des exemples clbres daction de ces mtabolites secondaires dans

les interactions plantes-microorganismes : implication des flavonodes dans lactivation des gnes NOD

dans la symbiose Rhizobium/Lgumineuse ou encore activation par lacetosyringone des gnes VIR d

Agrobacterium tumefaciens. La rhizosphre constitue en fait un milieu dynamique dans lequel

interviennent des microbes, des invertbrs, dautres plantes qui sont autant dorganismes

comptiteurs ou interagissant (Hirsch et al., 2003). En particulier, parmi les centaines de molcules

prsentes, certaines constituent des signaux chimiques intervenant dans les tapes prcoces des

interactions entre la plante et les micro-organismes du sol. La signalisation chimique entre les racines et

des organismes du sol, y compris les racines des plantes voisines, est souvent base sur des molcules

issues de la racine en trs faible quantit. Par ailleurs les mmes signaux chimiques peuvent provoquer

des rponses diffrentes selon le destinataire, repoussant un organisme et attirant un autre, ou deux

organismes trs diffrents peuvent tre stimuls avec des consquences diffrentes la plante. Un

exemple concret des divers sens pour un signal chimique est la scrtion des isoflavones par les racines

de soja, qui attirent une bactrie symbiotique (Bradyrhizobium japonicum) mais aussi un Oomycte

pathogne (Phytophthora sojae ; Morris et al., 1998). Un exemple plus rcent constitue le cas de leffet

des strigolactones sur les plantes parasites et sur les champignons endomycorhiziens.


Les strigolactones

Les strigolactones sont des composs synthtiss par les plantes et exsuds par leurs racines.

Des travaux encore parcellaires indiquent que ces composs sont issus de la voie de biosynthse des

apocarotnodes (Matusova et al., 2005). Il est intressant de dcrire lhistorique de leur dcouverte et

lidentification successive de leur rle car cela jette un clairage particulier sur le hasard des

dcouvertes, et sur la complexit des mcanismes de signalisation entre les organismes.

Strigolactones et plantes parasites

Les strigolactones ont t caractrises lors dtudes sur linduction des graines de plantes parasites

Striga (Orobanchaceae, Buchnereae) et Orobanche (Orobanchaceae, Orobanchae) par les exsudats

racinaires de plantes. Ces espces vgtales crent des dgts importants dans les zones chaudes,

induisant des dgts importants (Musselman, 1980, 1987). Striga et Orobanche sont deux genres de

plantes parasites obligatoires : ces plantes ne peuvent se dvelopper sans infecter un hte. De plus elles

ont pour caractristique commune de former des milliers de graines trs pauvres en rserve. La plante

doit germer au voisinage dune racine hte pour pouvoir former un appressorium, puis connecter son

systme vasculaire celui de la plante parasite. Des travaux des annes 40 avaient dcrit lincidence

des exsudats racinaires sur la germination des graines de Striga (Brown & Edwards, 1944). Des travaux

initis dans les annes 60 ont permis disoler le compos inducteur dans des exsudats de cotonnier

(Cook et al., 1966). La structure chimique en a t obtenue quelques annes plus tard partir des

exsudats 300.000 plants de cotonniers (Cook et al., 1972), et appel strigol (figure 14). A ce jour, 9

strigolactones seulement ont t identifies. La difficult danalyse explique cette faible diversit de

structures trouves. Toutefois ces molcules ont t identifies dans des familles vgtales diverses

(Poaceae, Lgumineuses) et lactivit biologique est retrouve dans des exsudats racinaires de trs

nombreuses plantes. Ces lments laissent supposer une prsence de ces molcules dans un trs large

groupe de vgtaux.

Figure 14 : Strigolactones et

analogue de synthse.

Les strigolactones comportent actuellement 9 structures chimiques qui ont mme ossature carbone, mais des radicaux varis. Le GR24 constitue un analogue de synthse chimique qui reprend lossature carbone et les 4 cycles ABCD mais sans dcoration. Au-del des 5 molcules naturelles reprsentes, on trouve le 2-epi orobanchol (sorghumol), le strygil actate et strygil orobanchol, le solanacol.


Ces molcules ont longtemps intress une communaut scientifique implique dans ltude de la

dfense des plantes contre ces plantes parasites (Bouwmeester et al., 2003), ce qui a permis didentifier

des varits de sorgho tolrantes ce parasitisme par une production moindre de strigolactones (Siame

et al., 1993) Dernirement il a t propos que les strigolactones drivent de la voie de biosynthse des

carotnodes (Matusova et al., 2005).

Strigolactones et champignons endomycorhiziens

La symbiose mycorhizienne au arbuscules (MA) est une symbiose mutualiste entre les champignons du

sol appartenant au groupe Glomeromycota et les racines des plantes. Cette symbiose favorise la

nutrition minrale (surtout phosphate) et hydrique de la plante. On estime que 80% des plantes

terrestres sont mycorhizes ltat naturel. La majorit des plantes cultives qui servent

l'alimentation humaine et animale sont mycorhizables. Ces particularits soulignent lintrt qui est

accord actuellement la mycorhization, et notamment la comprhension des mcanismes

dtablissement de la symbiose mycorhizienne. Plus particulirement il convient de mieux apprhender

le dialogue molculaire qui stablit entre ces champignons et la plante hte avant tout contact. Dans un

stade encore non symbiotique (en absence dune plante hte), les spores du champignon germent

spontanment. La croissance des hyphes est alors trs limite et cesse rapidement. Le cytoplasme des

hyphes produit est mme capable de se rtracter et de refluer dans la spore. En prsence dune plante

hte mais avant contact avec les racines, cest le stade pr-symbiotique caractris par une croissance

fongique beaucoup plus importante. Le champignon ragit la prsence de certaines molcules

racinaires exsudes. Comme la montr Akiyama (Akiyama et al., 2005), les strigolactones sont

impliques dans la ramification des hyphes de champignon endomycorhizien. Une rponse trs rapide

est induite par ces molcules. Des essais raliss avec le GR24 montrent une rapide induction du

mtabolisme mitochondrial (1h) prcdent la ramification des hyphes ( partir de 12h) (Besserer et al.,

2006). Cette ramification favorise la rencontre des 2 partenaires et les tapes suivantes de colonisation

symbiotique. Lutilisation dinhibiteur de la synthse des carotnodes (fluridone) ou de mutants de ces

synthses montre que ces plantes sont moins mycorhizes, mais que cet effet est rvers par laddition

de GR24 (Gomez-Roldan et al., 2007).

Strigolactones et autres champignons

Des organismes aussi distants que les plantes et les champignons AM rpondent aux strigolactones, et

chez ces derniers les mitochondries prsentent une rponse prcoce lajout de GR24 (Besserer et al.

2006). Des rsultats prliminaires doxygraphie obtenus au laboratoire montrent que Sporisorium

reilianum rpond au GR24 par une augmentation de la respiration cellulaire. Il est tentant de rapprocher

ces arguments et de se demander si les strigolactones nagissent pas sur un large spectre dorganismes

possdant des mitochondries, c'est--dire chez les eucaryotes en gnral.


Les strigolactones ayant t dtectes dans les exsudats racinaires dune large gamme de plantes, ces

composs pourraient agir en tant que signaux non seulement sur les champignons AM mais galement

sur dautres champignons du sol. Cette hypothse a dailleurs t envisage dans un article rcent.

Leffet du GR24 sur la germination des spores et/ou la ramification des hyphes a t test sur des

champignons de diffrents groupes : basidiomyctes ectomycorhiziens (Laccaria bicolor, Paxillus

involutus), champignons bnfiques du sol (Trichoderma sp. et Pyriformospora indica) et champignons

pathognes des plantes (Fusarium oxysporum, Botrytis cinerea et Cladosporium sp.) (Steinkellner et al.,

2007). Aucune rponse de ramification na t observe, ni de germination de microconidies de

Fusarium oxysporum. Les auteurs concluent que les strigolactones sont des signaux spcifiques

linteraction plante-champignon AM. Cependant si les strigolactones nont pas deffet morphogne sur

dautres champignons, certaines rponses plus discrtes pourraient intervenir, et des tudes autres que

la ramification dhyphes ou la germination de conidies (surtout chez des organismes dont les spores

germent et dont les hyphes croissent et ramifient sans intervention exogne) sont ncessaires pour

envisager le spectre dactivit des strigolactones et leur rle dans la formation de la flore microbienne

rhizosphrique.

Objectifs de la thse

Les travaux prsents dans ce mmoire ont plusieurs objectifs imbriqus qui tout en sadressant

des questions simples, entrainent des implications multiples.

1-Quel est le taux de souches solopathognes formes par diffrentes Ustilaginaceae ?

Les souches solopathognes nont pas intress les phytopathologistes, mais ont t

trs utilises par les gnticiens. Lhypothse mise est que ces souches pourraient avoir une

incidence sur ltiologie et lpidmiologie de ces maladies en fonction des mcanismes de

dissmination.

Une consquence ce travail est la possibilit de gnrer des souches solopathognes

de S. reilianum, non disponibles lheure actuelle. Des utilisations gntiques de telles souches

sont envisageables.

2-Ustilago maydis est il un agent pathogne racinaire ?

Cette question a tout dabord pour intrt de dfinir si les deux Ustilaginaceae

considrs, U. maydis et S. reilianum, diffrent dans leur interaction avec la plante par leur

mcanisme de pntration (foliaire vs racinaire). Cela peut avoir pour incidence de reconsidrer

la lutte contre ce pathogne.


Un autre intrt cette question est de dfinir les conditions pour utiliser les

Ustilaginaceae comme modles fongiques dtude de la biotrophie au niveau racinaire. Cette

problmatique rsulte dun double constat : i) lintrt de raliser des analyses

transcriptomiques comparatives entre interactions diffrentes pour mettre en vidence des

caractres communs et des caractres distincts. Ainsi une analyse ralise sur le riz (Guimil et

al., 2005) a dmontr lexistence de patrons de gnes communs et diffrents entre interactions

biotrophe symbiotique, biotrophe pathogne et ncrotrophe. ii) les champignons

endomycorhiziens constituent des agents biotrophes dun intrt agronomique lev, et

comprendre les interactions quils tablissent avec les plantes pourrait apporter des lments

marquant pour leur exploitation. La difficult est quil y a trs peu dagents pathognes

biotrophes racinaires pour effectuer un comparatif. Or la gnomique et les outils de gntique

molculaire disponibles sur U. maydis en font un modle biologique biotrophe phytopathogne

extraordinaire. Certains outils sont certes extrapolables sur S. reilianum (vecteurs de

transformations), mais des diffrences gnomiques ne manquent pas : lhybridation

htrologue dADNc S. reilianum sur puces ADN U. maydis semble montre que 40 % des gnes

ne shybrident pas (R. Kahmann, comm. personnelle). La question vaut dtre tranche.

Enfin, en tant que pathogne biotrophe, U. maydis constitue un organisme intressant

pour tenter lexpression htrologue de gnes dintrts identifis chez les champignons

endomycorhiziens, ces derniers tant rtifs toute manipulation gntique.

3-Quelle est la rponse des Ustilaginaceae aux strigolactones ?

Lobservation prliminaire chez S. reilianum de linduction de la respiration par le GR24

ncessite de prciser cette rponse. Une analyse plus fine de la rponse respiratoire tait raliser. Par

ailleurs, il tait tentant de tester si U. maydis rpond aussi au GR24. Au-del, nous avons voulu dfinir si

cette rponse se refltait par une modification au niveau transcriptomique, notamment sur des gnes

impliqus dans le dveloppement in planta. Une banque SSH partir des transcrits de cellules de S.

reilianum cultives en prsence ou non de GR24 a t ralise. Cette analyse a deux intrts :

-Dune part elle pourrait aider prciser les mcanismes de perception des strigolactones. Sil

est peu probable quun rcepteur soit identifiable par des approches transcriptomiques, les

gnes induits pourraient favoriser ou non la piste mitochondrie comme cible primaire daction

de ces molcules.

-Par ailleurs, mme si ce travail est focalis sur les tapes qui prcdent linfection, il pourrait

tre concevable didentifier des gnes impliqus dans les tapes prcoces de la biotrophie. En

effet il est possible quil existe un continuum entre phase pr-infectieuse et phase infectieuse, et


que certains facteurs vgtaux, dont peut tre les strigolactones actifs sur la respiration

cellulaire, pourraient agir comme un rgulateur.

La justification technique de cette approche tient la ralisation dun systme simplifi, initiant la

rgulation des gnes fongiques en absence de la plante hte, et permettant ainsi ltude de lexpression

des gnes sans contamination par les ARN vgtaux.

33 CHAPITRE I Les formes solopathognes des Ustilaginaceae : une adaptation au mode de dissmination ?

CHAPITRE I Les formes solopathognes des Ustilaginaceae : une adaptation au

mode de dissmination ?

Avant Propos

Lobjectif premier de cette tude consistait isoler des souches solopathognes de S. reilianum,

jusquici non disponibles. Ces souches solopathognes ont un grand intrt pour ltude de la

pathognie (expression in planta de transformant GFP pour ltude de promoteur par exemple). Il

convenait aussi de caractriser au mieux de telles souches pour en dfinir les conditions dutilisation au

laboratoire.

Ce premier chapitre correspond la valorisation sous forme darticle de rsultats conduits au

laboratoire par plusieurs contributeurs. Madame Diagne-Lye est Matre assistante lUniversit Cheikh

Anta-Diop de Dakar et a effectu un stage de plusieurs mois au laboratoire pour tudier ltiologie et

lpidmiologie de Moesziomyces penicillariae, agent responsable du charbon du mil. Cette maladie est

trs prsente en zone sub-saharienne et constitue la deuxime pathologie sur cette culture vivrire.

Cest dans le cadre de son travail quelle a isol des sporidies partir de tliospores rcolts par ses

soins, vrifi leur aspect filamenteux et effectu les infections sur plantes, rsultats repris dans cet

article. Mathieu Naudan a effectu un stage de DESU au laboratoire en 2003 et a effectu des essais

dobtention de souches solopathognes sur S. reilianum et U. maydis. Le protocole prsent dans ce

chapitre pour obtenir les souches solopathognes est celui mis au point au cours de son stage.


Solopathogeny of Ustilaginaceae: an adaptative strategy to dispersal?

Sabbagh, Seyed Kazem, Lye, Gagna-Diagne, Mathieu, Naudan and Roux, Christophe

Key words: Moeszyomyces penicillariae, Ustilago maydis, Sporisorium reilianum, solopathogenic strains,

aerial and soil fungi

1-1 Rsum

*Une des caractristiques communes aux champignons de la famille des Ustilaginaceae est de

prsenter un cycle biologique dimorphique, avec une alternance entre des formes levures haplodes

saprotrophes et des formes filamenteuses dicaryotiques parasites. Cette transition morphologique

rsulte dune fusion de levures compatibles.

*Sur certaines espces, il a t dcrit la formation des souches filamenteuses infectieuses en

absence de toute fusion entre levures compatibles. Ces souches sont dites solopathognes. Dun grand

intrt gntique, le rle biologique de ces souches na jamais t pos.

*Un protocole permettant disoler des formes solopathognes partir des tliospores a t

dfini, permettant disoler la souche solopathogne SRZS1 de Sporisorium reilianum.

*Ltude microscopique de la souche SRZ1 montre quil sagit dune souche filamenteuse

monocaryotique diplode. Par dtection PCR, cette souche sest rvle infectieuse, bien quelle ne

forme pas de sore sur mas.

*Nous avons analys la propension de trois espces diffrentes dUstilaginaceae former des

souches solopathognes : Moesziomyces penicilliarae, agent du charbon du mil, Ustilago maydis, agent

du charbon commun du mas, et Sporisorium reilianum, agent du charbon des inflorescences du mas.

Toutes les souches de M. penicilliarae sont solopathognes, trs rares chez S. reilianum, et en

proportion intermdiaire chez U. maydis.

*Ces trois espces diffrent notamment par leur mode dinfection de leur plante hte :

linfection seffectue uniquement par les stigmas des inflorescences pour M. penicilliarae, uniquement

par les racines pour S. reilianum, et sur lensemble de la partie arienne pour U. maydis. Laptitude

former des tliospores semble tre corrle au mode de dissmination de ces espces : la dissmination

arienne serait favorise par la formation de cellules infectieuses solopathognes.

1-2 Introduction

Among Basidiomycetes fungi, around 600 species are grouped in the Ustilaginaceae family.

Except Pseudozyma sp., anamorphic yeasts non parasite on plants (Begerow et al., 2000), all species are


pathogens of monocotyledonous plants and cause smut diseases: The main symptom corresponds to

the formation of a sorus filled of black spores: teliospores. These dicaryotic structures are dispersed,

overwinter in soil, then germ after caryogamy and meiosis in a basidium which sporulates haploid

sporidia. Sporidia are haploid saprotrophic yeast-form cells. To infect a host, haploid yeast must fuse

with compatible partner to form an infectious dicaryotic hypha. As yeast-hyphal switch and

saprotrophic-parasitic transition are concomitant, Ustilaginaceae fungi are of great interest to study the

mechanisms of pathogenicity in plants. Ustilago maydis, causing a common smut of maize, was

specifically used to investigate the genetic base of the dimorphism, and it was define that cell signaling

transduction pathway of mating, virulence and cell cycle are intertwined process (Kahmann & Kamper,

2004). This species is a paradigm in plant pathology since its genome has been sequenced (Kamper et

al., 2006). As several works deal with the description of maize infection by U. maydis, this species is the

reference usually used to describe life cycle of Ustilaginaceae. Although all Ustilaginaceae species have

many similarities with the biology of U. maydis, it is obvious that each species is adapted to its own host.

Infection mechanisms and dispersal ways are correlated events. On Ustilaginaceae, different dispersal

units have been described: teliospores and sporidia, but also fragmented basidia and infected host

organs. These dispersal units could be disseminated by wind, rain, insect or human activities and are

adapted to these vectors of dissemination (Piepenbring et al., 1998). For instance Moeszyomyces

penicilliarae (syn. Tolyposporium penicilliarae and Moesziomyces bullatus) is an air-borne fungus

infecting inflorescences of Pear millet (Baht, 1946). The teliospores of this species are grouped in spore

balls harboring empty sterile cells. This organization is known to limit desiccation by wind. The presence

of empty cells also lowers the density of the spore-balls, and the cell walls of degenerated sterile cells

form wing-like structures all around spore-balls which could facilitate air spreading. Although the role of

teliospores in dispersal is unambiguous, studies on Ustilaginaceae underline that the formation of non

infectious haploid sporidia limit the efficiency of dispersal. As sporidia need to meet a compatible

partner, the genes involved in compatibility could be considered as a limitation to cell fusion and then

infection. On U. maydis, the mating system is controlled by two loci, MATA and MATB. Two alleles have

been identified on A locus and around forty on B locus (Holliday, 1974). Sporidia could fuse when alleles

are different and generate a dicaryotic hypha. It was proposed that the multiplicity of B alleles is an

adaptation to dispersal as the probability of cells of different alleles to meet are higher, limiting the risk

of incompatible crossing (Kamper et al., 1995).

In this context, we focused on the b

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Sabbagh Seyed Kazem