Étude des déterminants génétiques de la pathogénicité chez les nématodes du genre Globodera

Abstract

Les nématodes à kyste de la pomme de terre (Globodera rostochiensis et G. pallida) sont des phytoparasites causant des pertes de rendement considérables, évaluées à plus de 9 % de la production mondiale de pomme de terre. Comprendre les éléments génétiques essentiels permettant aux nématodes d’infecter la pomme de terre devrait pouvoir mener à l’élaboration d’une méthode de lutte durable et efficace contre ces nématodes parasites. Pour identifier les éléments génétiques essentiels à l’infection de la pomme de terre, nous avons séquencé leurs transcriptomes, ainsi que ceux d’espèces apparentées, mais incapables de parasiter la pomme de terre, G. tabacum et G. mexicana. En comparant ces deux groupes, nous avons identifié les gènes impliqués dans la spécificité parasitaire pour l’hôte. Près de 25 % des gènes codants pour des effecteurs, des protéines dont le nématode se sert dans différentes étapes du parasitisme, ainsi qu’une multitude de gènes régulateurs ont été trouvés significativement surexprimés chez les deux espèces capables de parasiter la pomme de terre. L’expression de ces gènes était différente lorsque les larves furent exposées à l’exsudat racinaire de tomate, suggérant que le nématode est en mesure d’adapter l’expression de ces gènes effecteurs selon l’hôte par l’entremise des gènes de régulation en réponse au signal chimique de l’exsudat racinaire. Aussi, plusieurs variants non-synonymes communs à chacun des groupes ont été identifiés, ainsi que des gènes non caractérisés uniques aux nématodes à kyste de la pomme de terre, ce qui pourrait contribuer à la capacité de ces nématodes à pouvoir parasiter la pomme de terre. Une comparaison semblable a aussi été réalisée entre différents pathotypes de G. rostochiensis, afin de comprendre la différence de virulence entre ces pathotypes sur les cultivars de pomme de terre possédant le gène de résistance H1. Le gène de résistance H1 est utilisé dans les cultivars, qui sont disponibles commercialement et confère une résistance contre les pathotypes Ro1 et Ro4. Une courte liste de gènes candidats possédant des variants uniques aux pathotypes avirulents, ainsi que des gènes uniques à ces pathotypes ont été identifiés et permettront la validation future du gène d’avirulence, reconnu pas le gène de résistance H1. Étonnamment, les analyses ont permis de montrer que plusieurs gènes d’effecteurs ont un niveau d’expression différent selon le pathotype et corrèle avec le degré de virulence de ces pathotypes. Enfin, l’identification de gènes de référence a dû être réalisée, afin de normaliser les données d’expression obtenues par RT-qPCR. Onze gènes candidats ont été sélectionnés à partir de donnée de séquençage d’ARN et de gènes validés dans d’autres études. Trois gènes de référence ont été sélectionnés basés sur la stabilité de leur expression. Les résultats présentés ici permettent un avancement certain dans la compréhension de la manière dont les nématodes parasites utilisent leurs effecteurs et comment cela leur permet de définir leur gamme d’hôtes. Le but ultime de l’étude des nématodes phytoparasites est le développement d’un moyen de lutte efficace et la compréhension du mécanisme d’infection est une étape préalable pour contrer ce parasite complexe.

Potato cyst nematodes (Globodera rostochiensis and G. pallida) are plant parasite causing considerable yield losses, estimated at more than 9% of global potato production. Understanding the genetic characteristics allowing the nematode to infect potato should lead to the development of sustainable and effective control methods against these parasitic nematodes. To identify the genetic elements essential for potato parasitism, I sequenced their transcriptomes, as well as those of related species unable to parasitize potato, G. tabacum and G. mexicana. By finding differences between these two groups, it may be able to identify the genes involved in the specificity of host. Nearly 25% of the genes coding for effectors, proteins used in different stages of parasitism, as well as a multitude of regulatory genes were found to be significantly overexpressed in the two species able to parasitize potato. The expression of these genes was different when the larvae were exposed to tomato root exudate suggesting that the nematode can adapt the expression of these effector genes according to the host through regulatory genes, in response to the chemical signal of the root exudate. Also, several non-synonymous variants common to each group have been identified, as well as uncharacterized genes unique to potato cyst nematodes, which could also contribute to the ability of these nematodes to be able to parasitize potato. A similar comparison was also made between different pathotypes of G. rostochiensis to understand the difference in virulence on potato cultivars carrying the H1 resistance gene. The H1 resistance gene is used in commercially available cultivars, and confers resistance against the Ro1 and Ro4 pathotypes, but remains susceptible to the Ro2, Ro3 and Ro5 pathotypes. A short list of candidate genes with variants unique to avirulent pathotypes, as well as genes unique to these pathotypes, were identified and will allow future validation of the avirulence gene. Surprisingly, gene expression analyzes have shown that the expression of several effector genes has a different expression for each pathotypes and correlates with the degree of virulence of these pathotypes. Finally, the identification of reference genes had to be performed, to normalize the expression data obtained by RT-qPCR. Eleven candidate genes were selected from RNA sequencing data and previously validated reference genes. Three reference genes were selected based on the stability of their expression. The results presented here allow important progress in understanding how parasitic nematode use their effectors and how this allows them to define their host range. The final goal of plant-parasitic nematodes studies is the development of effective control means and the understanding of the mechanism of infection is a preliminary step for this complex parasite.