Characterization of a locus of resistance to coffee leaf rust (Hemileia vastratrix) in coffee trees : genomic organization, diversity and development of tools for functional gene validation

par Alessandra Ferreira Ribas

Thèse de doctorat en Biologie des organismes

Sous la direction de Philippe Lashermes.

Soutenue le 15-03-2011

à Montpellier 2 , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec RPB - Résistance des Plantes aux Bioagresseurs (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Douzery.

Le jury était composé de Philippe Lashermes, Valérie Geffroy, Hervé Etienne.

Les rapporteurs étaient Françoise Adam-Blondon, Gilles Pilate.

  • Titre traduit

    Caractérisation d’un locus de résistance à la rouille orangée (Hemileia vastatrix) chez le caféier (Coffea arabica) : organisation génomique, diversité et développement des outils pour la validation fonctionnelle


  • Résumé

    La rouille orangée du caféier causée par le champignon biotrophe Hemileia vastatrix (Berk et Br.) est la maladie la plus dévastatrice du caféier (Coffea arabica L.). La résistance à la rouille dans l'espèce allotétraploïde C. arabica semble jusqu'à présent conditionnée principalement par 9 facteurs de résistance majeurs (SH1-SH9), seuls ou en combinaison. Les variétés d'Arabica contenant le facteur de résistance SH3 introgressé d'une espèce de caféier sauvage (C. liberica) ont démontré une résistance durable au champ. L'objectif principal de ce travail était d'étudier l'organisation génomique, l'évolution et la diversité du locus SH3 chez le caféier et parallèlement de développer des outils permettant la validation fonctionnelle des gènes candidats pour la résistance à la rouille. Comme Une carte physique couvrant la région SH3 a tout d'abord été construite chez C. arabica et la position du locus de résistance a été délimitée dans un intervalle de 550 kb. La région a été séquencée chez trois génomes de caféier, Ea et Ca sous-génomes de C. arabica et Cc génome de C. canephora. L'analyse des séquences a révélé la présence d'un nombre variable de membres de la sous-classe CC-NBS-LRR ; ces gènes semblant être exclusivement présents à ce locus chez C. arabica. L'analyse génomique comparative indique que i) l'origine de la plupart des copies SH3-CNL est antérieure à la divergence entre les espèces de Coffea, ii) la copie ancestrale SH3-CNL a été insérée dans le locus SH3 après la divergence entre les Solanales et Rubiales. En outre, les mécanismes de duplication, délétion, conversion génique et de sélection positive semblent être les principales forces qui déterminent l'évolution des membres de la famille SH3-CNL. Différentes approches ont été entreprises pour le clonage des gènes candidats de résistance à la rouille. En parallèle, un protocole très efficace de transformation par Agrobacterium tumefaciens a été développé chez le caféier. Des plantes transgéniques contenant l'un des gènes R candidats ont été produites et acclimatées. Le bio-essai pour évaluer la résistance à H. vastatrix a été mis au point. La mise en place de protocoles efficaces pour le clonage des gènes de résistance et la transformation génétique ouvre la voie à la génomique fonctionnelle en routine chez le caféier. L'amélioration des connaissances sur la diversité des gènes de résistance à la rouille permettra l'optimisation des schémas de sélection pour la résistance durable à cette maladie majeure du caféier.


  • Résumé

    Coffee leaf rust (CLR) caused by the biotrophic fungus Hemileia vastatrix (Berk and Br.) is the most devastating disease of Arabica coffee (Coffea arabica). Resistance to CLR in its allotetraploid species appears so far conditioned primarily by 9 major resistance factors (SH1-SH9) either singly or in combination. Arabica varieties harboring the SH3 resistant factor introgressed from a wild coffee species (C. liberica) have demonstrated agronomical acceptable durable resistance in field conditions. The main objective of this work was to study the genomic organization, evolution and diversity of SH3 locus in coffee and in parallel to develop tools for functional gene validation of resistance candidate genes to CLR. As the first step, a physical map spanning the SH3 region in C. arabica was constructed and the position of the resistance locus was delimited within an interval of 550 kb. The region was completely sequenced in three coffee genomes, Ea and Ca subgenomes from C. arabica and Cc genome from C. canephora. Sequence analysis revealed the presence of a variable number of members CC subclass of NBS-LRR genes thatappeared to be exclusively present at this locus in C. arabica. Comparative genomic analysis indicated that i) the origin of most of the SH3-CNL copies predates the divergence between Coffea species ii) the ancestral SH3-CNL copy was inserted in the SH3 locus after the divergence between Solanales and Rubiales lineages. Furthermore, duplications, deletions, gene conversion and positive selection appeared as the main forces that drive SH3-CNL evolution. Different approaches have been undertaken to clone candidate genes to CLR. In parallel, a highly efficient and reliable Agrobacterium tumefaciens-mediated protocol was established for coffee. Transgenic plants containing one of the candidate gene were successful produced and acclimated into the greenhouse. The preliminary bioassay against H. vastatrix was achieved. The setting-up of efficient protocols for cloning resistance genes and for genetic transformation paves the way for routine functional genomics in coffee. The better knowledge on CLR resistance gene diversity would allow optimization of breeding schemes for durable resistance to this major coffee disease.

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