Evolutionary and molecular analyses of genetic determinants involved in the interaction between the poplar rust fungus and its host

Melampsora larici-populina (Basidiomycète, Pucciniales) est un champignon biotrophe obligatoire qui infecte successivement deux hôtes, le peuplier et le mélèze, et qui produit cinq types de spores au cours de son cycle de vie. Ce dernier est l’agent causal de la rouille du peuplier, la principale contrainte sanitaire dans les peupleraies européennes. Un des objectifs de l’UMR Interactions Arbres/Microorganismes est de caractériser les déterminants moléculaires impliqués dans l’interaction entre le peuplier et M. larici-populina et d’étudier leur évolution. Cette thèse, reposant sur la mobilisation d’expertises diversifiées allant de la génétique des populations à la biochimie des protéines, a permis de mener à bien trois projets de recherche. Premièrement, une étude, alliant des approches moléculaires et la génétique des populations, a identifié une association significative entre l’évolution du gène d’avirulence candidat AvrMlp7 et le contournement de la résistance qualitative RMlp7 du peuplier. L’association et la coexistence de deux altérations au locus candidat confèrent la virulence, fournissant pour la première fois des déterminants génétiques expliquant un évènement de contournement chez cet agent pathogène. Deuxièmement, un effort a porté sur le développement d’approches fonctionnelles sur ce pathosystème. L’expression de l’effecteur candidat AvrMlp7 dans le système hétérologue Nicotiana benthamiana a notamment permis de mettre en évidence sa localisation chloroplastique, suggérant un rôle potentiel dans la modulation de fonctions associées à cet organite. Le caractère d’avirulence de ce gène candidat reste néanmoins encore à démontrer fonctionnellement. Troisièmement, sur la base de données transcriptomiques, des familles de facteurs de transcription ont pu être associées à des transitions biologiques spécifiques du cycle de vie de M. larici-populina. Ainsi, la famille des cold-shock protéines (CSP) est plus particulièrement associée à la levée de dormance et à la production de basides et de basidiospores à partir de télies, à la sortie de l’hiver. Cette étude identifie pour la première fois des acteurs régulant des processus fondamentaux de la biologie des Pucciniales au-delà des seuls processus infectieux. De manière générale, les travaux réalisés dans cette thèse ouvrent de nouvelles perspectives quant à la plus-value d’associer plusieurs disciplines pour améliorer notre compréhension des interactions hôtes-pathogènes.Melampsora larici-populina (Basidiomycete, Pucciniales) is an obligate biotrophic plant pathogen that successively infects two hosts, poplar and larch, and produces five spore types during its life cycle. This fungus is the causal agent of poplar rust, the main sanitary constraint in European poplar cultures. One of the objectives of the UMR Tree/Microorganism Interactions is to characterize the molecular determinants involved in the interaction between poplar and M. larici-populina and to study their evolution. This thesis which relied on diverse research fields, ranging from population genetics to protein biochemistry, led to the development of three projects. First, a study, combining molecular approaches and population genetics, identified a significant association between the evolution of the candidate avirulence gene AvrMlp7 and the breakdown of the RMlp7-mediated resistance carried by some poplar cultivars. The association and coexistence of two alterations at the candidate locus confer virulence, providing for the first time insights on the genetic determinants responsible for a breakdown event in this pathogen. Second, an effort was made to develop functional approaches on this pathosystem. The expression of the candidate effector AvrMlp7 in the heterologous system Nicotiana benthamiana highlighted its chloroplastic localization, suggesting its potential role in modulating functions associated with this organelle. However, despite extensive functional investigations, the avirulence function of this candidate gene has not yet been formally demonstrated. Third, based on transcriptomic data, families of transcription factors could be associated with specific biological transitions along the life cycle of M. larici-populina. The cold-shock protein (CSP) family was found to be tightly associated with the exit of dormancy and the production of basidia and basidiospores from telia following an overwintering period. This study identifies for the first time factors regulating fundamental biological processes in Pucciniales, beyond the predominantly studied infection processes. In perspective, thanks to the added-values of combining several research fields, this thesis work opens new avenues in our attempt to understanding host-pathogen interactions