Genetic study of topping-induced cotton (Gossypium hirsutum L.) plant defense reactions, combining: Bioinformatics, VOC capture and genic expression

Villamar Torres Ronald. 2018. Genetic study of topping-induced cotton (Gossypium hirsutum L.) plant defense reactions, combining: Bioinformatics, VOC capture and genic expression. Montpellier : Université de Montpellier, 214 p. Thèse de doctorat : Biologie, interactions, diversité adaptative des plantes : Université de Montpellier

Encadrement : This, Patrice ; Viot, Christopher

Résumé : Gossypium hirsutum, the Upland cotton, represents more than 95% of the cotton fiber annually produced worldwide and is grown in about 40 countries. The protection of cotton fields against the attack of herbivorous arthropods needs important quantities of synthetic insecticides, around 18% of the world consumption for the year 2000, although this decreased very much thanks to Bt cotton and eradication programs for some pests. Volatile organic compounds (VOC) naturally emitted by crop plants can reduce insect attacks through the influence of VOC on the behaviors of herbivorous arthropods and auxiliary arthropods. Scientific research about plant VOC has been increasing much since around three decades. “Topping", that is, cutting the head of the cotton plants during the useful floriferous period, stimulates the emission of defense VOC. It is an environmentally friendly method and it limits health hazards due to the use of synthetic insecticides for the farmers and the surrounding human populations. The stimulation of VOC emissions by cultivated cotton plants is now recommended by entomologists of CIRAD as a component of the cotton fields protection strategy. The objective of the thesis was to improve our knowledge about the genetic bases of VOCs emissions after topping. The combination of several disciplines such as bioinformatics, chemical ecology and molecular genetics allowed to: 1) characterize genomically the genes of the terpene and terpenoid biosynthesis pathways (terpene synthases or “TPS”) and transcription factors (TF) related to VOC emissions, using the genome databases of three cotton species, G. raimondii, G. arboreum (both diploid cottons) and G. hirsutum (tetraploid cotton), 2) study the VOC emissions by cotton leaves of G. hirsutum plants in response to topping, by capturing these molecules and then characterizing their kinetic profiles by means of gas-chromatography mass-spectrometry (GC-MS), with quantitative measurements, and, 3) study the modifications of the RNA expression of G. hirsutum cotton plants after topping, for genes involved in VOC biosynthesis, through quantitative PCR measurements on 26 targeted genes and an RNA-seq aiming at a whole-transcriptome comparison. The results from the three different fields, bioinformatics, chemical analysis and gene expression, could be interrelated in our research thesis: e.g., two of the genes initially identified by bioinformatics, corresponding to two enzymes, EC: 4.2.3.106 - (E) -beta-ocimene synthase and EC: 4.2.3.111 - alpha-terpineol synthase, were shown to increase their expression after topping, while VOC capture and GC-MS analysis showed increased emissions of the corresponding VOC. These compounds had been characterized in other organisms in reaction to attacks by herbivorous insects. This thesis work is a first exploration of the genetic bases of defensive VOC emission by G. hirsutum cultivated cottons. The variability of genic expression behaviors observed amongst the three genotypes of African Upland cotton G. hirsutum that were studied permits to hypothesize that a genetic diversity is present for defensive VOC emissions, that could permit to improve and adapt by breeding these natural defense mechanisms and the response to topping, in perspective of a more efficient natural protection of cotton fields.

Résumé (autre langue) : Gossypium hirsutum, le coton Upland, représente plus de 95% de la fibre de coton produite annuellement dans le monde et est cultivé dans environ 40 pays. La protection des champs de coton contre les attaques d'arthropodes herbivores nécessite des quantités importantes d'insecticides de synthèse, environ 18% de la consommation mondiale en 2000, bien que cela ait beaucoup diminué grâce au coton Bt et aux programmes d'éradication de certains ravageurs. Les composés organiques volatils (COV) naturellement émis par les plantes cultivées peuvent réduire les attaques d' insectes, ces COV ayant une influence sur le comportement des arthropodes herbivores et des arthropodes auxiliaires. La recherche scientifique sur les COV des plantes a beaucoup augmenté depuis environ trois décennies. L'écimage (topping en anglais), qui consiste à couper la tête des cotonniers, stimule l' émission de COV de défense, une protection écologique qui réduit l'épandage d'insecticides synthétiques et ainsi les risques pour la santé des agriculteurs et des populations locales, ainsi que pour l'environnement. La stimulation des émissions de COV par un écimage des cotonniers au milieu de la période de floraison est actuellement recommandée par les entomologistes du Cirad en tant que composante de la stratégie de protection. L'objectif de la thèse était d' améliorer nos connaissances sur les bases génétiques des émissions de COV après écimage. La combinaison de plusieurs disciplines, bio-informatique, écologie chimique et génétique moléculaire, a permis de: 1) caractériser les gènes de la biosynthèse des terpènes et terpénoïdes (terpène synthases ou “TPS”) et des facteurs de transcription (TF) potentiellement liés à la réponse au stress, à l' aide des bases de données publiées sur les génomes de trois espèces de coton, G. raimondii, G. arboreum (diploïdes) et G. hirsutum (tétraploïde), 2) étudier les émissions de COV par les feuilles des cotonniers G. hirsutum en réponse à l'écimage, en capturant ces molécules et en caractérisant leurs profils cinétiques par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS), incluant des mesures quantitatives, et 3) étudier les modifications de l' expression ARN induites par l'écimage chez des cotonniers G. hirsutum, par PCR quantitative sur 26 gènes ciblés de la biosynthèse des terpènes, et par un RNA-seq destiné à l'étude du transcriptome complet. Les résultats des trois domaines scientifiques, bio-informatique, analyse chimique et expression des gènes, ont été mis en relation dans ce travail de thèse : par ex., deux gènes initialement identifiés par la bio-informatique, correspondant aux enzymes EC: 4.2.3.106, (E ) bêta-ocimène synthase et EC: 4.2.3.111, alpha-terpinéol synthase, ont montré une augmentation de leur expression après écimage, et l' analyse GC-MS des profils d' émission de COV a indiqué des émissions accrues. Ces mêmes composés avaient déjà été caractérisés dans d' autres plantes en réponse aux attaques d'arthropodes. Ce travail de thèse constitue une première exploration des bases génétiques des émissions de COV de défense par les cotonniers cultivés G. hirsutum. La variabilité des comportements d'expression génique observés entre les trois génotypes africains étudiés du cotonnier Upland G. hirsutum permet de supposer qu'une diversité génétique est disponible pour les émissions de COV de défense, ce qui pourrait permettre d'améliorer et adapter par sélection ces mécanismes de défense et leur réponse à l'écimage, en vue d'une protection naturelle plus efficace des champs de coton.

Mots-clés Agrovoc : Gossypium hirsutum, protection des plantes, lutte biologique, Insecta, mécanisme de défense, génétique moléculaire, génotype, écimage

Mots-clés libres : Gossypium hirsutum, Topping, Volatile organic compounds, Transcriptome, Biological pest control

Classification Agris : H10 - Ravageurs des plantes
F30 - Génétique et amélioration des plantes

Champ stratégique Cirad : Axe 4 (2014-2018) - Santé des animaux et des plantes

Auteurs et affiliations

• Villamar Torres Ronald, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/592557/)

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