Génomique comparative et évolutive de Xanthomonas albilineans, l'agent causal de l'échaudure des feuilles de la canne à sucre

Comparative genomics and evolution of Xanthomonas albilineans, the causal agent of leaf scald disease of sugarcane

• Auteur / Autrice : Isabelle Pieretti
• Direction : Monique Royer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MP - Microbiologie/Parasitologie
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie et Génétique des interactions Plantes-parasites pour la Protection Intégrée/UMR BGPI Montpellier (Montpellier ; 1999-2020)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ralf Koebnik
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Anne Barny, Claude Bragard

Mots clés

Mots clés libres

Xanthomonas albilineans

'Xanthomonas pseudalbilineans'

Échaudure des feuilles de la canne à sucre

Génomique comparative

Évolution

Xanthomonas albilineans

'Xanthomonas pseudalbilineans'

Leaf scald disease of sugarcane

Comparative genomics

Evolution

Résumé

Xanthomonas albilineans est la bactérie responsable de l'échaudure des feuilles, une maladie vasculaire et létale de la canne à sucre. Cette plante, domestiquée depuis plus de 5000 ans, est aujourd'hui cultivée sur près de 26 millions d'hectares. Depuis le début du 20ème siècle, les variétés naturelles de canne à sucre ont été remplacées par des variétés hybrides issues de croisements artificiels et présentant des caractères agronomiques plus intéressants. La transmission de X. albilineans est essentiellement liée au mode de multiplication par bouturage de la canne à sucre, les boutures produites à partir d'un plant infecté ayant de fortes chances d'être contaminées. L'utilisation d'outils de coupe favorise également la transmission de la bactérie à partir d'un plant infecté. Une transmission aérienne a toutefois été décrite pour au moins un groupe génétique de souches de X. albilineans appelé PFGE-B et caractérisé à l'aide de la technique d'électrophorèse en champ pulsé. Mon sujet de thèse visait, par une étude de génomique comparative et évolutive sur plusieurs souches de X. albilineans, à, d'une part, comprendre l'histoire de l'association de cette bactérie avec la canne à sucre, et, d'autre part, identifier des gènes candidats qui pourraient expliquer la pathogénie de X. albilineans et la capacité des souches du groupe PFGE-B à être transmises par voie aérienne.En comparant 12 souches de X. albilineans appartenant à neuf groupes PFGE différents, j’ai construit une phylogénie solide proposant l'existence de huit lignées regroupées en deux clades. Cette phylogénie a été confirmée en utilisant trois méthodes de phylogénomique différentes. De façon intéressante, cette phylogénie permet de proposer des hypothèses sur l'évolution de X. albilineans et sur l'introduction de cette bactérie chez la canne à sucre. L'analyse des gènes présents dans le génome de ces 12 souches appartenant à neuf groupes PFGE différents m'a également permis d'identifier un système RM (restriction/modification) qui n'est présent que chez les souches PFGE-B et qui pourrait expliquer pourquoi ces souches sont plus résistantes aux phages que celles appartenant aux autres groupes PFGE. En facilitant la survie des bactéries dans l'environnement, cette résistance aux phages pourrait jouer un rôle important dans la transmission aérienne.La comparaison de 11 souches de X. albilineans appartenant au groupe PFGE-B m'a permis de construire, à partir de 67 SNP (Single Nucleotide Polymorphism), une phylogénie qui indique que les Caraïbes, où la canne à sucre n'a été introduite qu'à la fin du 15ème siècle, pourraient être un centre de dispersion des souches PFGE-B. Cette étude a également mis en évidence un polymorphisme au niveau des spacers d'un locus CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system). L'étude de ce polymorphisme sur 18 souches de X. albilineans non séquencées a permis de démontrer que les souches de Floride sont originaires des Caraïbes et de proposer des hypothèses concernant l'origine des souches PFGE-B d’autres régions du monde, même si le séquençage d'un plus grand nombre de souches sera nécessaire pour confirmer ces hypothèses.En analysant la séquence du génome de deux souches qui avaient été initialement classées dans l'espèce X. albilineans mais qui n'avaient pas été isolées à partir de tiges de canne à sucre, j’ai mis en évidence une nouvelle espèce que nous avons appelée 'Xanthomonas pseudalbilineans'. Enfin, la comparaison du génome fini et annoté de la souche PFGE-B GPE PC73 avec le génome d'autres espèces bactériennes phytopathogènes m'a permis de proposer des hypothèses pour expliquer la pathogénie de X. albilineans.

Xanthomonas albilineans is the bacterium causing leaf scald, a vascular disease being lethal for sugarcane. This plant, domesticated for over 5,000 years, is nowadays grown across almost 26 million hectares. Since the beginning of 20th century, natural varieties of sugarcane have been replaced by hybrid varieties resulting from artificial crossings. The transmission of X. albilineans is mainly linked to the fact that sugarcane is propagated by taking cuttings, with the cuttings from an infected plant likely to be contaminated. The use of cutting instruments also facilitates transmission of the bacteria from an infected plant. An aerial transmission has nevertheless been described, at least for one genetic group of strains from X. albilineans, namely PFGE-B, characterized using the pulsed-field gel electrophoresis technique. My thesis topic consisted in performing a comparative and evolutive genomic study of several strains of X. albilineans in order, on one hand, to better understand the history of association of this bacterium with the sugarcane, and, on the other hand, to identify candidate genes which may explain the pathogenicity of X. albilineans as well as the ability of PFGE-B strains to be aerially transmitted. Comparing 12 strains of X. albilineans belonging to nine different PFGE groups, I built a robust phylogeny which proposes the existence of eight lineages clustered in two clades. This phylogeny has been confirmed by three different phylogenomic methods. Interestingly, this phylogeny allows to propose hypotheses about the evolution of X. albilineans and the introduction of this bacterium in sugarcane. The analysis of genes from the genomes of these 12 strains belonging to nine different PFGE groups also allowed me to identify a RM (Restriction/Modification) system which is present only in PFGE-B strains and which may explain why these strains are more resistant to phages that those belonging to other PFGE groups. By facilitating the survival of bacteria in the environment, this resistance to phages may play an important role in aerial transmission. The comparison of 11 strains of X. albilineans belonging to the PFGE-B group allowed me to build, based on 67 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), a phylogeny which indicates that the Caribbean area, where sugarcane was introduced not before the end of the 15th century, might be a center for dispersion of PFGE-B strains. This study also revealed a polymorphism of spacers of a CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system) locus. The study of this polymorphism in 18 non-sequenced strains of X. albilineans allowed to demonstrate that strains from Florida originated in the Caribbean region, and to propose hypotheses regarding the origin of PFGE-B strains from other regions of the world, even if the sequencing of a higher number of strains will be required to confirm these hypotheses.Analyzing the sequence of the genome of two strains, initially thought to belong to the X. albilineans species but which weren’t isolated from sugarcane stalks, I revealed a new species that we called ‘Xanthomonas pseudalbilineans’. Finally, the comparison of the finished and annotated genome of the PFGE-B strain GPE PC73 with the genome of other phytopathogenic bacteria allowed me to propose hypotheses to explain X. albilineans’ pathogenicity.