Cours : La spécificité des interactions plantes/pathogènes

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I. Le concept de spécificité

1. Généralités

On a différents niveau de spécificité :
  • Niveau 1 : Le microorganisme est pathogène pour une large gamme de plante
  • Niveau 2 : Le microorganisme est pathogène pour une large gamme de plante mais sur certains organes
  • Niveau 3 : Le microorganisme est pathogène pour une gamme restreinte de plante
  • Niveau 4 : Le microorganisme est pathogène pour une seule plante
  • Niveau 5 : Une race de microorganisme est pathogène pour un cultivar (variété) d'une espèce donnée.
Dans ces 5 niveau, les interactions cultivar/race sont les plus étudiées car ce sont les plus spécifiques.

2. La théorie gène pour gène

On définit 2 types de race :
  • Virulente
  • Avirulente
Pour les cultivars, on distingue :
  • Sensible
  • Résistant
Doc 1 : Le cas de gauche est compatible, celui de droit incompatible.

On croise la variété OTTAWA x BOMBAY :
  • F1 est incompatible pour les deux races (pas d'infection)
  • F2 comporte 75% d'incompatible et 25% de compatible.
Héritabilité monogénétique

On croise 22 x 24 :
  • F1 est incompatible pour les deux variétés.
  • F2 comporte 75% d'incompatible et 25% de compatible.
Les caractères de résistance et d'avirulence sont hérités de façon dominante et monogénétique. La sensibilité et la virulence sont récessives. D'où la théorie de Flor, à un gène avirulent correspond un gène de résistance. Doc 2

Quand on a un gène d'avirulence, il produit un éliciteur. Le gène de résistance produit un récepteur. Quand les gènes avirulent et résistant sont traduit, on a une reconnaissance entre le pathogène et la plante, qui alors met en place des mécanismes de défense.

On distingue plusieurs possibilités :
  • Pas de reconnaissance, développement du pathogène
  • Gène avirulent exprimé, mais pas de récepteur
    • Gène de résistance exprimé, mais pas d'éliciteur
    • Ni l'un ni l'autre n'est exprimé
On constate donc que la plante à 1 chance sur 4 de ne pas être atteinte. En faite, il n'y a pas qu'un seul locus gouvernant les interactions, mais plein de loci. Il faut ainsi qu'au moins un gène (Récepteur) résistant soit reconnu par un gène (éliciteur) avirulent pour que la plante ne soit pas infectée. Doc 3.

3. Multiplicité des gènes résistants dans les espèces cultivées

Doc 4 : 4 loci, même résultats qu'avec un seul locus. En revanche on est plus à 1 chance sur 4 de n'être pas infecté.

Plus on multiplie le nombre de loci, plus on multiplie les chances de reconnaissances, et donc d'incompatibilité.

Ces gènes de résistances on été introduit par l'Homme, pour que les cultures résistent aux pathogènes (jusqu'à 10 gènes de résistances). Ils ont une d'efficacité courte, car les microorganismes contournent très rapidement les mécanismes de résistance.

Système de résistance/virulence est sans fin.

Exemple : Solanum tuberosum croisée avec solanum demissens, pour obtenir un gène de résistance supplémentaire.

4. Conclusions

Ce système avirulence/résistance constitue le système le plus spécifique. La reconnaissance entre l'éliciteur et le récepteur de l'hôte permet la défense de la plante. Mais cela ne veut pas dire que lorsque la plante ne reconnaît pas le pathogène, qu'il n'y a pas de défense mise en place, la plante se défend également, mais les défenses arrivent trop tard. Doc 5 : La différence entre incompatibilité et compatibilité est le temps de latence permettant la mise au point des défenses.

Quand il y a compatibilité, les mécanismes de défense arrivent trop tardivement.

II. Etude des supports moléculaires de la spécificité.

Cette reconnaissance se fait et déclenche plusieurs étapes :
  • Liens chimiques entre éliciteur et récepteur
  • Cascade de messagers secondaires
  • Induction d'une réponse défensive
1. Eliciteurs et gènes d'avirulences

a. Eliciteurs

C'est une molécule qui est produit par le gène d'avirulence. Elles sont capables d'induire des réactions de défense. On peut les rechercher dans 3 compartiments :
  • La paroi du champignon et du végétal
  • Le filtrat de culture du pathogène
  • L'interface hôte/parasite
Au niveau des parois

Doc 6 : On broie l'organisme, on isole des fragments de paroi, on les inocule à des plantes saines et on regarde ce qu'elles peuvent induire.

On trouve alors deux types de molécule dans la paroi :
  • Glycane neutre dans la paroi végétale : glucose
  • Chitine dans la paroi du champignon : polymère de glucosamine.
L'activité élicitrice dépend de la taille de l'éliciteur, il est en général constitué de 4 à 5 enchainements de glucose ou de glucosamine.

Le glycane neutre à été isolé dans un champignon (Phytophtora megasporium). On a pu isoler un fragment de la paroi de ce champignon, qu'on purifie et qu'on donne à une plante, on a une réponse de défense. Cette réponse est très sensible car même à 10-8M on a une réponse.

Doc 7 : Si on change la forme de cette molécule, on réduit de manière importante l'efficacité de cette molécule à induire une réponse chez la plante.

La forme est importante, donc il y a une reconnaissance spécifique avec un récepteur.

On utilise alors des glucoses radioactifs et on constate que le glucose se met à un certain endroit de la membrane de la plante.

Le filtrat de culture du microorganisme

Doc 8 : On cultive le pathogène et on filtre le milieu de culture (Champignon : Aspergilus niger). On constate la présence d'enzyme : les endopolygalacturonases.

  • 1er spot : Champignon broyé, induit la défense
  • 2ème spot : Enzyme induit les défenses
  • 3ème spot : Plus fort avec la concentration
  • 4ème spot : L'enzyme bouillie : plus de défense
  • 5ème spot : Produit de l'enzyme : Induit les défenses
Ce n'est pas l'enzyme l'éliciteur, mais le produit de cette enzyme : l'oligomère d'acide galacturonique.

On a un degré de polymérisation qui joue sur la puissance de la réaction de défense.

Interface hôte/parasite

Les gènes des organismes pathogènes, quand ils sont cultivés, ne produiront pas d'éliciteur. Ils le feront quand l'hôte sera présent.

Doc 9 : Le champignon (Cladosporium fulvum) possèdent plusieurs pathovars que l'on nomme selon le gène d'avirulence : 0, 1, 2, 9.

Ces pathovars ont été inoculé à des cultivars de tomates (cultivars nommés selon leurs gènes dominants de résistance).

Il faut au moins une interaction entre gène dominant pour induire la défense.

Comment mettre en évidence ce qui se passe dans la zone d'interaction ?
  • On prend une interaction R/a : Cf9 et a9 ; on place la feuille infectée sur un papier imbibé d'eau, puis on centrifuge pour récupérer le liquide intercellulaire. On injecte ce liquide dans deux cultivars :
    • Cf 9 : Compatible
    • Cf2 : incompatible
  • Il existe bien dans ces zones intercellulaires des molécules élicitées.
  • On prend une interaction R/A, on refait la même manipulation :
    • Cf 9 : incompatible
    • Cf 2 : Incompatible
Conclusion : L'espace intercellulaire est le domaine de communication entre la plante et le pathogène. Les éliciteurs sont produits par les pathogènes mais en petite quantité. Ces éliciteurs :
  • Activent différentes plantes
  • Agissent en quantité faible
  • Ce sont des oligosaccharides ou des peptides.
b. Les gènes d'avirulences

Le peptide est purifié et séquencé. On a pu obtenir des séquences d'ADN, on a pu faire des sondes dégénérées que l'on a hybridées dans une banque d'ADNc. On a pu ensuite récupérer la séquence du gène entier sur une banque d'ADN génomique. On a alors transformé une race virulente de Cladosporium fulvum en lui mettant le gène Ag dominant avirulence.

Remarque : si une mutation change un acide aminé de l'oligopeptide, la reconnaissance ne se fait plus.

Pourquoi y a-t-il production de gène d'avirulence et d'éliciteur ? Pourquoi la sélection naturelle n'a pas faire des souches ne produisant pas d'éliciteurs ?

En faite les éliciteurs ont souvent un rôle dans le métabolisme du pathogène. Ces éliciteurs ne correspondent pas à une famille de gène.

2. Récepteurs et gène de résistance

a. Les récepteurs

On créé des analogues structuraux de l'hepta-beta- glucane.

On constate :
  • Un effet dose/réponse : La réponse peut être saturable
  • Un effet d'affinité et réversibilité : Spécificité et réversibilité de la liaison ligand/récepteur
  • Unicité et localisation du récepteur : L'éliciteur est marqué, on voit qu'il est présent que dans les membranes. On fait une électrophorèse, et on obtient qu'une bande : Un seul type de récepteur sur la membrane.
b. Les gènes de résistances

Il faut muter environ 200 000 plantes pour espérer obtenir une mutation du gène codant pour le récepteur.

2 approches :
  • Clonage positionnelle : Recherche de marqueur moléculaire proche du gène, on caractérise alors le gène entre deux marqueurs
  • Clonage par transposon : Le transposon s'insert dans le gène codant pour le récepteur, la plante est alors sensible. Une fois la plante sensible détecté, on fait une sonde a partir du transposon, et on peut ainsi repérer le gène et l'étudier.
Doc 10 : On introduit dans un plant de tomate résistant homozygote un transposon. On prend la plante sensible et on lui introduit le gène d'avirulence P2.
  • Si les deux gènes s'expriment, on a le récepteur et l'éliciteur, donc les mécanismes de défense se mettent en place dans la graine, la graine ne germe pas.
  • Si le transposon est inséré dans le gène de virulence, on a que l'éliciteur, la plante vit.
Conclusion

Doc 11 : Il existe une reconnaissance hôte/pathogène plus ou moins spécifique. Ces systèmes (éliciteurs /récepteurs) sont l'expression direct de la théorie gène pour gène. On a une induction du signal, qui conduit à l'expression des gènes de défense. Le pathogène a en plus des gènes de pathogénicité.

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