CE20 - Biologie des animaux, des organismes photosynthétiques et des microorganismes

Modulation des réseaux de genes controllant la robustesse phenotypique de l'immunité quantitative des plantes – PRobIty

Réseaux génétiques sous-jacents à la résistance quantitative des plantes aux maladies

La résistance quantitative aux maladies (QDR) est une forme d'immunité des plantes aux bases moléculaires complexes mal caractérisées. Elle est répandue dans la nature et constitue la seule forme d'immunité efficace contre les pathogènes nécrotrophes tels que le champignon de la moisissure blanche Sclerotinia sclerotiorum.La QDR est souvent à large spectre et durable. L'architecture des réseaux génétiques qui sous-tendent la robustesse du phénotype QDR est actuellement inconnue.

Révéler les propriétés des réseaux de gènes des plantes et des champignons qui sous-tendent la QDR

Notre hypothèse clé est que la robustesse de la QDR émerge à l'échelle globale de l'architecture des réseaux de gènes des plantes et des pathogènes, et implique des gènes conservés ayant des fonctions moléculaires diverses. La raison d'être de cette recherche est basée sur nos résultats préliminaires qui montrent que les changements de régulation affectant des gènes conservés ont été critiques dans l'évolution de la QDR à S. sclerotiorum. L'objectif immédiat est de révéler les propriétés des réseaux de gènes végétaux et fongiques qui sous-tendent les réponses phénotypiques QDR et qui les rendent robustes aux perturbations internes et environnementales.

Afin de documenter la régulation globale des transcrits de S. sclerotiorum pendant la colonisation de A. thaliana et d'obtenir des informations sur les régulateurs des voies associées à la virulence connues, nous avons collecté plusieurs ensembles de données d'expression à l'échelle du génome de S. sclerotiorum et les avons formatés pour les rendre directement comparables. À ce jour, notre collection comprend 269 échantillons, dont 103 correspondent à l'interaction avec la plante modèle A. thaliana. Nous avons mis en place un pipeline pour la reconstruction des réseaux de régulation et l'avons utilisé sur un ensemble de gènes fongiques hautement et stablement exprimés in planta. Dans ce pipeline, les arrètes du réseau ont été identifiés sur la base d'une méta-analyse des stratégies de régression LASSO et d'inférence Random Forest.

Nous avons terminé l'analyse du transcriptome global de S. sclerotiorum pendant la colonisation d'hôtes de six familles botaniques initiée dans le cadre de projets précédents. Ce travail a révélé que 52% des gènes de S. sclerotiorum régulés in planta étaient spécifiques à l'hôte. Les gènes liés à la détoxification des composés de défense de l'hôte étaient enrichis dans les transcriptomes spécialisés, tandis que le transcriptome central surreprésentait les fonctions associées au catabolisme des glucides et au transport des sucres. En se concentrant sur la camalexine, un composé de défense spécifique aux plantes de la famille des Brassicaceae, nous fournissons des preuves que la variation cis-régulatrice contribue à l'évolution de la réactivité à la camalexine chez Sclerotinia. En utilisant des analyses de la région promotrice, nous avons identifié un motif enrichi dans les éléments cis des gènes de S. sclerotiorum mais pas dans leurs orthologues chez le proche parent S. trifoliorum. Chez la levure de boulangerie, le motif est reconnu par des régulateurs transcriptionnels à doigt de zinc. Nous avons commencé la caractérisation fonctionnelle de ces régulateurs chez S. sclerotiorum et nous espérons découvrir les voies contrôlées par ces régulateurs transcriptionnels importants.

Les efforts futurs viseront à
- Générer une évolution temporelle détaillée de l'infection sur A. thaliana Col-0, et des données d'expression globale pour les souches naturelles et mutantes de S. sclerotiorum et les génotypes mutants de A. thaliana, afin d'évaluer la robustesse de l'expression génique aux changements génétiques.
- Construction d'un modèle hybride reliant le réseau de régulation et le réseau métabolique, construction d'un modèle de métogénome incluant des gènes végétaux et fongiques exploitant des données RNA-seq doubles dans lequel l'expression globale des gènes de S. sclerotiorum interagissant avec A. thaliana a été évaluée.

1. Kusch S, Larrouy J, Ibrahim HMM, Mounichetty S, Gasset N, Navaud O, Mbengue M, Zanchetta C, Lopez-Roques C, Donnadieu C, Godiard L, Raffaele S. Transcriptional response to host chemical cues underpins the expansion of host range in a fungal plant pathogen lineage. ISME J. 2021 Jul 19. doi: 10.1038/s41396-021-01058-x.

Les interactions avec les champignons sont déterminantes pour la croissance des plantes dans les milieu naturels et agricoles. La résistance quantitative (QDR) est une forme d’immunité végétale complexe encore peu caractérisée au niveau génétique. La QDR est répandue dans la nature, souvent durable, et efficace contre un large spectre d’agents pathogènes. Nos travaux récents ont permis de révéler des gènes de fonctions moléculaires variées chez la plante modèle Arabidopsis thaliana contrôlant la QDR vis-à-vis du champignon pathogène Sclerotinia sclerotiorum. Comment ces gènes contribuent au phénotype de résistance quantitative demeure néanmoins mystérieux. Nous faisons l’hypothèse que la robustesse de la QDR contre la diversité des agents pathogènes émerge à l’échelle globale, de l’architecture des réseaux génétique impliquant de multiples gènes conservés de la plante et du champignon pathogène.

Nous proposons de combiner études globales de transcriptome, modèles mathématiques à l’échelle du génome et édition du génome afin de caractériser de façon systématique la topologie des réseaux de gènes associés à la QDR chez Arabidopsis, et d’étudier le lien entre topologie des réseaux et robustesse phénotypique. Pour cela, nous caractériserons la reprogrammation du transcriptome de la plante et du champignon au cours du temps, en utilisant des plantes sauvages et des mutants d’Arabidopsis altérés dans la QDR. Ces données seront intégrées dans un dispositif de modélisation dynamique à l’échelle des génomes afin de développer une approche prédictive de la propagation de la maladie. Grace à des approches d’apprentissage automatique, d’inversion et d’optimisation de modèle, et d’analyse de motifs de réseaux nous mettrons en lumière les propriétés de groupes de gènes associés à la QDR. Nous utiliserons ensuite l’édition du génome en multiplexe chez Arabidopsis afin de valider expérimentalement les phénomènes de synergie, redondance, compensation et compromis révélés par l’approche de modélisation. Enfin, nous appliquerons nos modèles dynamiques à l’échelle du génome à la conception de génotypes d’Arabidopsis présentant une QDR résiliente à des conditions climatiques défavorables. Nos travaux préliminaires indiquent que de faibles variations dans les conditions climatiques réduisent la QDR à Sclerotinia chez Arabidopsis. En combinant prédiction des modèles et édition du génome en multiplexe, nous chercherons à améliorer la QDR dans un contexte climatique défavorable conforme aux prévisions des changements globaux.

L’étude des réseaux génétiques contrôlant la robustesse de la QDR aux perturbations internes et environnementales devrait conduire à de nouveaux concepts concernant les bases moléculaires de la durabilité des résistances des plantes, et ouvrir de nouvelles pistes pour le contrôle des maladies fongiques.

Coordination du projet

Sylvain Raffaele (Laboratoire des Interactions Plantes - Microorganismes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

The Sainsbury Laboratory / The Sainsbury Laboratory
LIPM Laboratoire des Interactions Plantes - Microorganismes
MIAT Mathématiques et Informatique Appliquées Toulouse

Aide de l'ANR 442 034 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2020 - 42 Mois

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