Genetic study of topping-induced cotton/Gossypium hirsutum/ L. plant defense reactions, combining : Bioinformatics, VOC capture and genic expression

par Ronald Oswaldo Villamar Torres

Thèse de doctorat en Biologie des systèmes

Sous la direction de Patrice This.

  • Titre traduit

    Etude génétique des réactions de défense induites par l'écimage chez les cotonniers/Gossypium hirsutum/ L., combinant : bioinformatique, capture de COV et expression génique


  • Résumé

    Gossypium hirsutum, le coton Upland, représente plus de 95% de la fibre de coton produite annuellement dans le monde et est cultivé dans environ 40 pays. La protection des champs de coton contre l’attaque des arthropodes herbivores nécessite des quantités importantes d’insecticides de synthèse, environ 18% de la consommation mondiale en 2000, bien que cela ait beaucoup diminué grâce au coton Bt et aux programmes d’éradication de certains ravageurs. Les composés organiques volatils (COV) naturellement émis par les plantes cultivées peuvent réduire les attaques d'insectes, les COV ayant une influence sur le comportement des arthropodes herbivores et des arthropodes auxiliaires. La recherche scientifique sur les COV des plantes a beaucoup augmenté depuis deux ou trois décennies. La stimulation des émissions de COV dans les champs de coton est désormais recommandée par les entomologistes du Cirad en tant que composante de la stratégie de protection. L’écimage (topping en anglais), c'est-à-dire couper la tête des cotonniers au cours de la floraison, stimule l'émission de COV de défense, une protection écologique qui limite les risques pour la santé dus aux insecticides synthétiques, pour les agriculteurs et les personnes des environs. L'objectif de la thèse était d'améliorer nos connaissances sur les bases génétiques des émissions de COV après l’écimage. La combinaison de plusieurs disciplines telles que la bio-informatique, l'écologie chimique et la génétique moléculaire nous a permis de: 1) analyser les séquences génomiques des gènes des voies de biosynthèse des COVs terpènes et terpénoïdes et des facteurs de transcription (TF) liés à la réponse au stress, à l'aide des bases de données publiées sur les génomes de trois espèces de coton, G. raimondii, G. arboreum (cotons diploïdes) et G. hirsutum (coton tétraploïde), 2) étudier les émissions de COV par les feuilles de coton des plants de G. hirsutum en réponse à l’écimage, en capturant ces molécules en serre et en caractérisant leurs profils cinétiques par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS), incluant des mesures quantitatives, et 3) étudier les modifications de l'expression ARN des plants de coton G. hirsutum après l’écimage, pour 44 gènes impliqués dans la biosynthèse des COV, et également par une comparaison du transcriptome complet au moyen d'une analyse RNA-seq. Les résultats des trois domaines scientifiques, bio-informatique, analyse chimique et expression des gènes, ont pu être liés dans notre thèse de recherche: par ex., deux des gènes initialement identifiés par la bio-informatique, correspondant à deux enzymes, TPS50 (EC: 4.2.3.106 - (E ) bêta-ocimène synthase) et TPS16 (EC: 4.2.3.111 - alpha-terpinéol synthase), ont montré une augmentation de leur expression après l’écimage, et l'analyse GC-MS montre une modification correspondante des profils d'émission de COV. Ces mêmes composés avaient déjà été caractérisés dans d'autres plantes en réponse aux dégâts d’arthropodes. Ce travail de thèse constitue une première exploration des bases génétiques des émissions défensives de COV par les cotonniers cultivés G. hirsutum. La variabilité des comportements d’expression génique observés entre les trois génotypes étudiés de coton Upland africain G. hirsutum, permet de supposer qu’une diversité génétique est présente pour les émissions défensives de COV, ce qui pourrait permettre d’améliorer et d’adapter ces mécanismes de défense naturels et leur réponse à l’écimage, dans la perspective d'une protection naturelle plus efficace des champs de coton.


  • Résumé

    Gossypium hirsutum, the Upland cotton, represents more than 95% of the cotton fiber annually produced worldwide and is grown in about 40 countries. The protection of cotton fields against the attack of herbivorous arthropods needs important quantities of synthetic insecticides, around 18% of the world consumption for the year 2000, although this decreased very much thanks to Bt cotton and eradication programs for some pests. Volatile organic compounds (VOCs) naturally emitted by crop plants can reduce insect attacks through the influence of VOCs on the behaviors of herbivorous arthropods and auxiliary arthropods. Scientific research about plant VOCs has been increasing much since two or three decades. The stimulation of VOCs emissions by cultivated cotton plants is now recommended by entomologists of CIRAD as a component of the cotton fields protection strategy. “Topping", that is, cutting the head of the cotton plants during the useful floriferous period, stimulates the emission of defense VOCs. It is an environmentally friendly method and it limits health hazards due to the use of synthetic insecticides for the farmers and the surrounding human populations. The objective of the thesis was to improve our knowledge about the genetic bases of VOCs emissions after topping. The combination of several disciplines such as bioinformatics, chemical ecology and molecular genetics allowed us to: 1) analyze the genomic sequences of VOCs genes of the terpene and terpenoid biosynthesis pathways and transcription factors (TF) related to stress response, using the published genome databases of three cotton species, G. raimondii, G. arboreum (both diploid cottons) and G. hirsutum (tetraploid cotton), 2) study the VOCs emissions by cotton leaves of G. hirsutum plants in response to topping, by capturing these molecules in greenhouse and then characterizing their kinetic profiles by means of gas-chromatography mass-spectrometry (GC-MS), with quantitative measurements, and, 3) study the modifications of the RNA expression of G. hirsutum cotton plants after topping, for genes involved in VOCs biosynthesis through quantitative PCR measurements on 44 targeted genes and also by means of a whole-transcriptome comparison through an RNA-seq analysis. The results from the three different fields, bioinformatics, chemical analysis and gene expression, could be interrelated in our research thesis: e.g., two of the genes initially identified by bioinformatics, corresponding to two enzymes, TPS50 (EC: 4.2.3.106 - (E) -beta-ocimene synthase) and TPS16 (EC: 4.2.3.111 - alpha-terpineol synthase), were shown to increase their expression after topping, while the GC-MS analysis showed an modification of the corresponding VOCs in emission profiles. These compounds have been already characterized in other organisms in response to wounds produced by herbivorous insects. This thesis work is a first exploration of the genetic bases of defensive VOCs emission by G. hirsutum cultivated cottons. The variability of genic expression behaviors observed amongst the three genotypes of African Upland cotton G. hirsutum that were studied permits to hypothesize that a genetic diversity is present for defensive VOCs emissions, that could permit to improve and adapt by breeding these natural defense mechanisms and the response to topping, in perspective of a more efficient natural protection of cotton fields.

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