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BIOlogie et GEstion des Risques en agriculture - Champignons Pathogènes des Plantes

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Contexte scientifique

Les champignons phytopathogènes du genre Colletotrichum, agents causaux d’antrachnose, engendrent de fortes pertes économiques sur une grande variété de cultures dans le monde. La plupart des Colletotrichum ont un mode de vie hémibiotrophique, caractérisé par une phase initiale biotrophique asymptomatique suivie par une phase nécrotrophique destructrice produisant de graves symptômes. Les spores développent, après germination, des appressoria qui adhèrent fortement à la surface foliaire de l’hôte et qui vont percer la cuticule ainsi que les parois cellulaire grâce à une combinaison de forces mécaniques et d’enzymes de dégradations. Dès lors, un premier hyphe biotrophique, d’aspect bulbeux et délimité par une membrane plasmique modifiée à partir de celle de l’hôte, va alors se développer dans les cellules épidermiques encore vivantes. Finalement,  le champignon deviendra nécrotrophe en produisant des hyphes plus fins qui détruisent les cellules hôtes. L’interaction entre C.higginsianum et la plante modèle Arabidopsis thaliana représente un pathosystème pratique à étudier. En effet, chaque partenaire a son génome séquencé et peut facilement être génétiquement manipulé  (O’Connell et al. 2004).

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Le génome de C. higginsianum code pour un véritable arsenal d’armes dédié à la dégradation des parois cellulaires de la plante (CAZYmes - carbohydrates active enzymes), à la manipulation de l’hôte (effecteurs protéiques) et à la biosynthèse de métabolites secondaires (O’Connell et al. 2012). Le séquençage d’ARN a révélé que ces armes sont déployées avec une grande précision en vagues successives de transcription, associées à des moments clés de l’infection. Ces gènes codant pour des effecteurs ou des enzymes du métabolisme secondaire sont induits dans les étapes précoces de l’infection, avant la pénétration et pendant la biotrophie. Au contraire, la plupart des gènes codants pour des hydrolases ou des transporteurs membranaires sont induits plus tard, au moment du passage vers la nécrotrophie.

Afin d’identifier des effecteurs protéiques sécrétés, nous avons séquencé le transcriptome d’appressoria et d’hyphes de biotrophie (Kleemann et al. 2008; Kleemann et al. 2012; Takahara et al. 2009). L’analyse bioinformatique des EST (expressed sequenced tags) a permis d’identifier 102 gènes d’effecteurs candidats exprimés dans ces structures infectieuses. La plupart des gènes d’effecteurs sont induits par les plantes et s’expriment en vagues successives indiquant que des ensembles distincts d’effecteurs peuvent être déployés à chaque étape du processus infectieux. En utilisant un couplage avec des protéines fluorescentes et de l’immuno-marquage, nous avons pu localiser de nouveaux compartiments à l’interface entre la plante hôte et le champignon pathogène, révélant qu’un sous ensemble d’effecteurs est sécrété par les apressoria avant l’invasion de l’hôte. Grâce à une expression transitoire dans les plantes nous avons également pu mettre en évidence que ces effecteurs pouvaient aussi bien induire que supprimer la mort cellulaire, suggérant que leur expression réciproque pourrait orchestrer la transition de la biotrophie vers la nécrotrophie (Kleemann et al. 2012).

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Les appressoria mélanisés des espèces de Colletotrichum et de Magnaporthe ont intensivement été étudiés ces 25 dernières années. Ces structures sont décrites comme étant essentielles à la pénétration du champignon. En effet, les appressoria orientent la croissance des agents pathogènes vers les tissus végétaux et fournissent une forte adhésion, qui, couplée à la sécrétion d’enzymes va permettre de percer la cuticule et les parois cellulaires de la plante hôte. La plupart des travaux précédents ont été centrés sur les signaux cellulaires et la mise en place de la turgescence impliqués dans la morphogénèse et la fonction des appressoria. C’est en se concentrant sur le rôle des appressoria comme organe de perception de signaux végétaux, comme plateforme de sécrétion d’effecteurs protéiques ou de métabolites que notre axe de recherche se distingue des autres.

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1. Quels  signaux végétaux sont perçus par les appresoria ? Comment le sont-ils ?

Même si les appressoria formés in vitro sont morphologiquement similaires à ceux formés in planta, leurs transcriptome sont drastiquement différents (O’Connell et al. 2012). L’induction de plus de 1500 gènes au contact de la plante hôte suggère que les appressoria peuvent percevoir, avant pénétration, des signaux générés par l’hôte. Notre but ici est de déterminer la nature de ces signaux et les mécanismes par lesquels ils sont détectés puis interprétés par l’agent pathogène.

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2. Comment les effecteurs appressoriaux contribuent t’ils à la virulence ?

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Les effecteurs protéiques secrétés par Colletotrichum auraient un rôle crucial dans la mise en place de l’infection en esquivant ou en désactivant les défenses avant et après la pénétration, en gardant les cellules hôtes en vie ou en réorganisant le cytoplasme de celle-ci pour favoriser l’infection fongique. Le séquençage du transcriptome a précédemment permis d’identifier un ensemble d’effecteurs induits par la plante et spécifique de l’appressorium. Nous avons pu montrer que ces effecteurs étaient sécrétés localement, au niveau du pore de pénétration de l’appressorium (Kleemann et al. 2012). Bien que largement ignorés dans les études portant sur d’autres champignons pathogènes, les effecteurs sécrétés par les appressoria sembleraient avoir des fonctions et des cibles végétales différentes de ceux sécrétés après pénétration. Notre but est ici de découvrir l’ensemble du répertoire des effecteurs d’appressoria et de déterminer quels sont leurs fonctions biologiques et/ou leurs cibles dans la plante hôte.

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3.  Quels sont les métabolites  synthétisés par les appressoria ? Quelle est leur fonction ?

Le génome de C. higginsianum contient un nombre inhabituellement élevé de gènes codant des enzymes impliquées dans le métabolisme secondaire qui, comme pour les autres mycètes, sont organisés en clusters. Une découverte importante issue de précédentes analyses de profiles transcriptomiques fut la mise en évidence de 13 clusters uniquement exprimés dans les appressoria, avant la pénétration de l'hôte (O'Connell et al. 2012). Étant donné que chaque cluster synthétise potentiellement un métabolite, les appressoria pourraient délivrer un véritable cocktail chimique à la première cellule infectée. Les fonctions des métabolites secondaires appressoriaux sont inconnues. Nous cherchons donc ici à identifier les métabolites produits par l'appressorium, à caractériser leurs activités biologiques et à déterminer de quelle manière leur synthèse est régulée.

Financement

Notre recherche est soutenue par l'INRA et s’inscrit dans le cadre d'une «Chaire d'Excellence» de l'ANR.