Etudes des bases génétiques de la fertilité mâle et femelle chez le champignon pathogène modèle Pyricularia oryzae

Lassagne Alexandre. 2023. Etudes des bases génétiques de la fertilité mâle et femelle chez le champignon pathogène modèle Pyricularia oryzae. Montpellier : Institut Agro Montpellier, 179 p. Thèse de doctorat : Mécanismes des interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques : Institut Agro Montpellier

Encadrement : Tharreau, Didier ; Fournier, Elisabeth

Résumé : Le système de reproduction d'un organisme a un impact sur l'émergence et l'évolution de nouveaux génotypes. La compréhension du mode de reproduction chez les organismes pathogènes aide donc à comprendre leur histoire de vie. Les mécanismes biologiques, et les gènes sous-jacents, impliqués dans la reproduction sexuée chez les Ascomycètes sont relativement bien décrits chez plusieurs organismes modèles tels que Neurospora crassa ou Podospora anserina. Cependant, chez Pyricularia oryzae, le champignon pathogène responsable de la pyriculariose du riz, la biologie et les déterminants génétiques de la reproduction sexuée restent peu documentés. Bien que la reproduction sexuée n'ait jamais été observée directement au champ, elle a déjà été réalisée au laboratoire. En effet, le croisement de souches fertiles conduit à la formation de périthèces, organes contenant les produits de la méiose. Par ailleurs, une lignée phylogénétique montre des traces d'événements de recombinaison tandis que les trois autres lignées ont une structure clonale. Certaines populations de P. oryzae semblent donc avoir perdu la capacité à se reproduire de manière sexuée in natura. Pour comprendre cette évolution, nous avons contribué à caractériser, les traits de fertilité mâle et femelle chez ce champignon phytopathogène d'intérêt agronomique majeur. Tout d'abord, nous avons cherché à identifier les cellules ayant le rôle de gamètes mâles. La littérature suggérait que les microconidies sont les éléments fécondant mâle chez P. oryzae, sans toutefois le démontrer. C'est cette hypothèse que nous avons testée. Nous avons mis au point un protocole permettant la production et l'observation des microconidies. Puis nous avons quantifié la production de microconidies pour plusieurs souches. Enfin, par le biais de la fertilisation de mycélium femelle, nous avons démontré pour la première fois que les microconidies sont les gamètes mâles de P. oryzae. La caractérisation de la production de spermaties nous a permis de réaliser un phénotypage quantitatif précis de la fertilité mâle dans une population naturelle de 71 souches de P. oryzae appartenant à la lignée pathogène du riz et recombinante. Nous avons tiré profit de ce phénotypage pour rechercher les bases génétiques de la fertilité mâle par une approche de génomique d'association (GWAS). Trois régions génomiques ont ainsi été mises en évidence. Parmi ces trois régions, une région d'une largeur de 65,05 kb, présentait des gènes candidats sérieux connus pour leur implication dans des mécanismes important pour la reproduction sexuée chez d'autres espèces. Nous avons en particulier identifié un gène contenant un domaine JmJ qui pourrait potentiellement être impliqué dans la régulation transcriptionnelle. Enfin, nous nous sommes intéressés à la fertilité femelle, et plus particulièrement aux gènes impliqués dans la formation des périthèces. Pour cela, nous avons d'une part tiré profit de croisements produits au cours d'une précédente thèse, impliquant des souches femelle-fertiles et des mutants femelle-stériles, dont les descendants avaient été phénotypés pour la fertilité femelle. Nous avons utilisé ce matériel pour réaliser une analyse de " Bulk Segregant ". En parallèle, nous avons développé et utilisé une méthode de quantification des périthèces par analyse d'image pour phénotyper la fertilité femelle, et appliqué une approche de GWAS, comme précédemment. L'utilisation de ces méthodes complémentaires nous a permis de mettre en évidence plusieurs régions génomiques significativement associées à la fertilité femelle : 1 région constituée d'un gène identifié par GWAS, 4 régions majeures par BSA. Dans ces régions, nous avons observé des gènes déjà décrits pour leur implication dans la production de périthèces chez d'autres espèces, mais également des gènes possédant des fonctions potentiellement liées à la reproduction sexuée (métabolisme secondaire, remaniement des parois, cascades de signalisation, contrôle de la méiose…).

Résumé (autre langue) : The reproductive system of an organism has an impact on the emergence and evolution of adaptive variants in response to selective constraints. The understanding of the mode of reproduction in pathogens helps to understand their life history. The biological mechanisms and the genes involved in sexual reproduction in Ascomycetes are relatively well described in several model organisms such as Neurospora crassa or Podospora anserina. However, in Pyricularia oryzae, the fungal pathogen responsible for rice blast that causes about 3% yield loss worldwide, the biology and genetic determinants of sexual reproduction remain poorly documented. Although sexual reproduction has never been directly observed in the field, it is easily produced on artificial medium in the laboratory. Indeed, the crossing of fertile strains leads to the formation of perithecia which is the fruiting body containing the ascospores. In addition, one phylogenetic lineage shows evidence of recombination events, while the other three lineages have a clonal structure. Thus, some P. oryzae populations seem to have lost the capacity to reproduce sexually in natura. To understand this evolution, we have contributed to characterize the male and female fertility traits in this phytopathogen fungus of agronomic interest. First, we sought to determine which cells act as male gametes. The literature suggests that microconidia are the male fertilizing element in P. oryzae but it has not been demonstrated. We tested this hypothesis in three steps. We designed a protocol to produce and observe microconidia. Then, we quantified the production of microconidia for several strains. Finally, thanks to controlled quantity deposition of microconidia on female mycelium, we demonstrated for the first time that microconidia are spermatia. The characterization of spermatia production allowed us to perform a precise quantitative phenotyping to determine the genetic bases of male fertility. To this end, we performed a genomic association approach (GWAS) on a recombinant population of 71 P. oryzae strains from the recombinant lineage. Three genomic regions were identified. Among these three regions, the region of 65.05 kb containing 321 SNP markers located on Scaffold 10 of the GUY11 genome presented serious candidate genes known to be involved in mechanisms important for sexual reproduction in others species. In particular, we identified a gene possessing a Jmj domain that could be involved in transcriptional regulation (histone demethylation). Finally, we focused on female fertility and more particularly on the genes involved in perithecia formation. To this end, we took advantage of previous crosses involving female-fertile strains and female-sterile mutants whose progenies had previously been phenotyped for female fertility. We used this material to perform a "Bulk Segregant" analysis. In parallel, we developed a method to quantify perithecia by image analysis and used it to phenotype female fertility and to conduct a GWAS study, as above. The use of these complementary methods allowed us to identify, by GWAS, a region composed of one single gene and 4 main genomic regions by BSA. In these regions, we observed genes already described for their involvement in perithecia production in other species but also unidentified genes with functions potentially involved in sexual reproduction (secondary metabolite production, cell wall rearrangements, signaling cascades, meiosis control…).

Mots-clés Agrovoc : Pyricularia oryzae, variation génétique, structure de la population

Classification Agris : H20 - Maladies des plantes
F63 - Physiologie végétale - Reproduction
F30 - Génétique et amélioration des plantes

Auteurs et affiliations

• Lassagne Alexandre, CIRAD-BIOS-UMR PHIM (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/606833/)

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