A game of hide and seek between the avirulence genes AvrLm3 and AvrLm4-7 in Leptosphaeria maculans | Quand un gène d'avirulence en cache un autre : analyse de l'interaction entre AvrLm3 et AvrLm4-7 chez Leptosphaeria maculans

Inglés. Leptosphaeria maculans is a Dothideomycete responsible for stem canker on oilseed rape (Brassica napus). Genetic control, encompassing mostly the use of major resistance genes, is the most effective method to control this pathogen. When the first cultivars harboring Rlm7 have been deployed in the early 2000's, all of the European isolates were avirulent towards this resistance gene and AvrLm3 was considered to be absent from the populations. In 2012, Daverdin et al. showed that L. maculans has the ability to rapidly overcome the Rlm7 resistance whenever a strong selection pressure is applied. The phenotyping of isolates sampled by Daverdin et al. also showed that more than 98 % of the isolates virulent towards Rlm7 had become avirulent towards Rlm3. This result led to the hypothesis that the presence of AvrLm4-7 can suppress AvrLm3 recognition by Rlm3 and this was validated by the complementation of an isolate avirulent towards Rlm3 with a functional allele of AvrLm4-7. AvrLm3 is genetically linked to AvrLm4-7, at a distance of 20 cM. However, no candidate gene was identified before the beginning of my PhD. The objective of my PhD project was to identify AvrLm3, in order to better understand the antagonistic relationship between AvrLm3 and AvrLm4-7 phenotypes. The combination of genetic and genomic approaches (genetic mapping, RNA-seq, de novo sequencing of an isolate avirulent towards Rlm3 and BAC clone sequencing) allowed me to identify AvrLm3, whose sequence was absent from the reference genome assembly. AvrLm3 has common characteristics with others genes encoding fungal effector: it codes for a small, cysteine-rich protein, is highly expressed at early infection stages and shows no homology with others fungal genes. Although the mechanism allowing the suppression of AvrLm3 recognition due to the presence of AvrLm4-7 has not been elucidated, several hypotheses were invalidated: the presence of AvrLm4-7 has no impact on AvrLm3 expression and the two avirulence proteins do not interact physically.The sampling of field isolates in 2012 and 2013 showed the currently ongoing breakdown of Rlm7, with ca. 10% of virulent isolates, and the resurgence of the AvrLm3 phenotype in these populations, only 0.5 % of isolates being virulent towards both Rlm3 and Rlm7. A large collection of isolates from worldwide origin was genotyped for AvrLm3. It revealed that all isolates possess AvrLm3, with a high level of allelic diversity. The resurgence of the avirulent phenotype towards Rlm3 following the breakdown the Rlm7, along with the important role of AvrLm3 and AvrLm4-7 in fungal fitness, suggest that the antagonistic relationship between these two avirulence phenotypes could be an opportunity to propose original strategies to increase the durability of Rlm3 and Rlm7, by alternating both resistance genes at the landscape level or using pyramiding strategies. However, we identified novel isoforms of AvrLm4-7 allowing the fungus to escape Rlm7 recognition, while maintaining the suppression of Rlm3 recognition effective. This work allowed to better characterize an unusual gene-for-gene relationship. Indeed, only one other example of antagonism between avirulence phenotypes has been identified to date, in the phytopathogenic fungus Fusarium oxysporum (Houterman et al., 2008). The diversity of mechanisms allowing L. maculans to overcome the Rlm3 resistance illustrates perfectly the complexity of the arms race between plants and pathogens.

Francés. Leptosphaeria maculans est l'agent de la nécrose du collet des crucifères, principale maladie fongique du colza (Brassica napus). Lorsque des variétés de colza possédant la résistance Rlm7 ont été commercialisées au début des années 2000, la totalité des souches européennes étaient avirulentes vis-à-vis de ce gène de résistance. A l'inverse, AvrLm3 était considéré comme absent de ces populations. Un précédent projet de thèse réalisé dans l'équipe a montré la rapide capacité d'adaptation de L. maculans à la pression de sélection exercée par Rlm7 (Daverdin et al. 2012) et le phénotypage des populations isolées lors de cette étude avait montré que 98% des souches virulentes vis-à-vis de Rlm7 étaient avirulentes vis-à-vis de Rlm3. L'hypothèse d'un masquage du phénotype avirulent dû à la présence d'AvrLm4-7 a alors été validée par la complémentation d'une souche avirulente vis-à-vis de Rlm3 par AvrLm4-7. Sur ces bases, l'objectif de mon projet de thèse était d'identifier AvrLm3 afin d'analyser l'antagonisme entre les phénotypes AvrLm3 et AvrLm4-7, ainsi que les mécanismes menant au contournement de Rlm3 et Rlm7.Le gène AvrLm3 avait été identifié comme génétiquement lié à AvrLm4-7. Toutefois il n'avait pas été possible d'identifier un gène candidat. Par la combinaison d'approches de génétique et de génomique (clonage positionnel, RNA-seq, séquençage de novo d'une souche avirulente et de clones BAC), j'ai pu identifier AvrLm3, dont la séquence était absente du génome de référence de L. maculans. AvrLm3 est très fortement exprimé lors des phases précoces de l'infection et code pour une petite protéine sécrétée et ne présentant pas d'homologies avec d'autres protéines fongiques. Ce gène a donc les caractéristiques classiques des gènes codant pour des effecteurs, mais présente la particularité d'être le premier gène d'avirulence de L. maculans localisé en région télomérique. Bien que le mécanisme par lequel la présence du gène AvrLm4-7 supprime la reconnaissance d'AvrLm3 dans l'interaction entre B. napus et L. maculans n'ait pas été élucidé au terme de ma thèse, plusieurs hypothèses ont pu être invalidées, notamment l'absence de régulation de l'expression d'AvrLm3 par AvrLm4-7. De plus, une approche double hybride a mis en évidence une absence d'interaction directe entre les deux protéines d'avirulence. L'isolement de souches de L. maculans issues de parcelles expérimentales en 2012 et 2013 a mis en évidence le contournement actuel de la résistance Rlm7, avec environ 10 % de souches virulentes. Le phénotypage de ces collections a confirmé la présence majoritaire d'un allèle avirulent d'AvrLm3 chez celles-ci, moins de 0,5 % des souches isolées étant virulentes à la fois vis-à-vis de Rlm3 et de Rlm7. L'analyse de 592 souches d'origine mondiale a montré qu'AvrLm3 est toujours présent chez L. maculans, sous diverses formes alléliques, suggérant un rôle majeur d'AvrLm3 dans la fitness fongique. La résurgence du phénotype avirulent vis-à-vis de Rlm3 suite au contournement de Rlm7 fait envisager l'opportunité d'exploiter l'interaction entre les deux gènes d'avirulence pour une gestion plus durable des gènes de résistance de B. napus, par l'alternance de cultivars possédant Rlm3 et Rlm7 ou le pyramidage de ces deux gènes dans des variétés de colza. De plus, le rôle démontré d'AvrLm3 et d'AvrLm4-7 dans l'agressivité lors de l'infection suppose un fort coût de fitness lié à la virulence. Toutefois, des mécanismes originaux de compensation permettant au champignon d'échapper à la reconnaissance par Rlm3 et Rlm7 tout en conservant a priori fonctionnelle la fonction effectrice d'AvrLm3 et AvrLm4-7 ont été identifiés. Les résultats obtenus lors de ce travail de thèse ont permis la meilleure caractérisation d'une interaction gène-pour-gène inhabituelle. La diversité des mécanismes moléculaires permettant à L. maculans de contourner la résistance Rlm3 illustre la complexité de la course aux armements entre les plantes et les agents pathogènes.