Génétique de la résistance au charbon de la canne à sucre causé par Ustilago scitaminea : caractérisation de la diversité génétique du pathogène, cartographie de QTL dans un croisement bi-parental et étude d'associations dans une population de cultivars modernes

par Louis Raboin

Thèse de doctorat en ?

Sous la direction de Angélique D'Hont.

Soutenue en 2005

à Montpellier, ENSA .


  • Résumé

    Le charbon de la canne à sucre, causé par Ustilago scitaminea Syd. , est présent dans toutes les zones de culture de la canne à l'exception de la Papouasie Nouvelle Guinée, Fidji et la zone est de l'Australie. La sélection pour la résistance au charbon, caractère assez héritable, est efficace mais nécessite des essais lourds et le contrôle génétique de la résistance n'est pas connu. Pour identifier les zones du génome impliquées dans la résistance au charbon, deux stratégies ont été mises en oeuvre (1) la cartographie de QTL dans un croisement bi-parental entre un cultivar résistant 'R 570' et un clone extrêmement sensible 'MQ 76/53', évalué à la Réunion pour la résistance au charbon (2) l'étude d'associations dans une population de cultivars évaluée au Burkina Faso pour la résistance au charbon. En préalable, la structure génétique mondiale de U. Scitaminea a été étudiée. Pour cela, 142 isolats, issus de téliospores collectées dans 15 pays à travers le monde, ont été analysés à l'aide de 17 microsatellites. Tous ces isolats sauf un étaient homozygotes à tous les loci étudiés ce qui indique que le mode de reproduction très préférentiel de U. Scitaminea est l'autofécondation. En Amérique et en Afrique, la diversité génétique est extrêmement faible et tous les isolats se sont révélés appartenir à une unique lignée mondiale consanguine. Cette lignée consanguine a aussi été trouvée en Asie, continent sur lequel a été détecté l'essentiel de la diversité génétique du champignon. Ces observations indiquent que U. Scitaminea est originaire d'Asie. La population bi-parentale et la population de cultivars utilisées pour étudier le déterminisme génétique de la résistance ont donc été évaluées vis-à-vis d'isolats de la lignée mondiale. Les cartes génétiques des parents du croisement bi-parental, 'R 570' et 'MQ 76/53', ont été construites à partir d'une population de 198 descendants clonés. 1666 marqueurs polymorphes ont été produits à l'aide de 37 couples d'amorces AFLP, 46 marqueurs SSRs et 9 sondes RFLP. L'analyse des liaisons en couplage a permis de construire 86 groupes de co-ségrégation pour 'R 570' (taille cumulée = 3144 cM) et 105 groupes de co-ségrégation chez 'MQ 76/53' (taille cumulée = 4329 cM) qui rassemblent respectivement 424 et 536 marqueurs. Sur la carte génétique de 'MQ 76/53', un gène associé à la couleur rouge des tiges a été identifié à 6. 5 cM d'un marqueur AFLP et un nouveau gène de résistance à la rouille a été identifié à 23. 1 cM d'un marqueur AFLP. Dans la population de cultivars, la structure du déséquilibre de liaison a été étudiée à l'aide de 1626 marqueurs AFLP dont 408 sont cartographiés chez 'R 570'. Pour ces derniers, il a donc été possible d'établir la relation entre distances génétiques et associations statistiques entre marqueurs dans la population de cultivars, mesurées à l'aide du test exact de Fisher. Cette analyse confirme que le déséquilibre de liaison chez la canne est maintenu sur des distances pouvant atteindre plusieurs dizaines de cM mais l'intensité du déséquilibre de liaison baisse fortement lorsque les distances génétiques dépassent 5 cM. La structure du déséquilibre de liaison chez la canne à sucre apparaît donc bien adaptée pour les études d'associations à l'échelle de la totalité du génome de la canne à sucre. Des essais au champ et en serre utilisant différentes méthodes d'inoculation ont permis de caractériser la résistance des 198 clones de la descendance bi-parentale. Les ségrégations observées dans tous ces essais sont très fortement décalées vers le parent résistant indiquant la présence de plusieurs facteurs de résistance dominants. La détection de QTL, à l'aide des 1666 marqueurs polymorphes disponibles, a permis d'identifier un certain nombre de zones du génome impliquées pour des effets faibles dans la résistance. Par ailleurs, dans la population de cultivars (constituée de deux sous-populations, l'une très résistante et l'autre très sensible au charbon) l'étude des associations avec la résistance au charbon a permis de révéler un certain nombre d'haplotypes intéressants. Deux QTLs sont communs entre ces deux approches. Les progrès obtenus dans la compréhension du déterminisme génétique de la résistance au charbon sont modestes. Le potentiel des études d'associations chez la canne à sucre est apparu intéressant mais son exploitation optimale nécessitera un changement d'échelle en ce qui concerne le nombre de marqueurs à analyser


  • Résumé

    Sugarcane smut, caused by Ustilago scitaminea Syd. , is present in aIl sugarcane growing areas with the exception of Papua New Guinea, Fiji and the eastem side of Australia. Breeding for smut resistance is efficient because this trait is fairly heritable but it requires complicated screenings. Moreover, the genetic control of smut resistance is still unknown. With the objective to identify the mendelian factors involved in sugarcane resistance to sm ut, two strategies have been implemented (1) QTL mapping in a bi-parental progeny derived from a cross between a resistant cultivar 'R 570' and a highly susceptible clone 'MQ 76/53', evaluated in Reunion island for resistance to smut (2) Association study in a population of cultivars, evaluated in Burkina Faso for resistance to smut. First, the worldwide genetic structure of U. Scitaminea was investigated. A total of 142 singleteliospore isolates from 15 countries worldwide were analysed using 17 polymorphic microsateIlite loci. Ail isolates but one were homozygous for aIl loci, indicating that selfing is the highly preferential reproductive mode of U. Scitaminea. Ln America and Africa, genetic diversity was found to be extremely low and aIl isolates belonged to a single inbred lineage. This inbred lineage was also found in sorne parts of the Asian continent where most U. Scitaminea genetic diversity was detected. These observations support the hypothesis that the fungus originated in Asia. Thus, the bi-parental population and the population of cultivars used to study the genetic determinism of smut resistance have been evaluated towards isolates from the worldwide lineage. The genetic maps of the two parents of the bi-parental progeny, 'R 570' and 'MQ 76/53', were constructed using a population of 198 progeny. A total of 1666 polymorphic markers were produced using 37 AFLP primer pairs combinations, 46 SSRs and 9 RFLP probes. Linkage analysis aIlowed the construction of 86 cosegregation groups for 'R 570' and 105 cosegregation groups for 'MQ 76/53' encompassing 424 and 536 single dose markers respectively. The cumulative length of 'R 570' map was 3144 cM. The cumulative length of'MQ 76/53' map was 4329 cM. On 'MQ 76/53' map, a gene controlling the red colour of the stalks was identified at 6. 5 cM of an AFLP marker and a new brown rust resistance gene was identified at 23. 1 cM of an AFLP marker. The structure of linkage disequilibrium in the population of cultivars was investigated using 1626 AFLP markers, among which 408 have known positions on 'R 570' genetic map. Thus, it was possible to study the relationship between genetic distances and statistical associations between markers in the population of cultivars, calculated using the Fisher exact test. This analysis confirmed that linkage disequilibrium in sugarcane extends over distances of tenth of centiMorgans but drops sharply for distances over 5 cM. This order of magnitude indicates that genome-wide association studies are achievable in sugarcane. Field trials and greenhouse trials using different inoculation methods were conducted in order to characterize the resistance of the 198 progeny clones from the bi-parental population. The distribution of disease scores observed in aIl those trials were highly unbalanced toward the resistant parent indicating the segregation of multiple dominant resistance factors. A QTL detection was performed using the 1666 available markers aIlowing the identification of a few genomic zones with smaIl effects. Besides, the association study performed in the population of cultivars (constituted of two subpopulation, one highly susceptible to smut and the other highly resistant to smut) revealed interesting haplotypes associated with resistance. Two QTLs have been detected through both approaches. The progress obtained toward a better understanding of the genetic determinism of sugarcane resistance to smut are modest. The potential of association studies in sugarcane appeared interesting although much more markers would have to be used to make the most of it.

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