Identification and study of promoters induced by Asian soybean rust : application in an artificial cell death system

par Lisa Cabre

Thèse de doctorat en Microorganismes. Interactions. Infections

Sous la direction de Nathalie Poussereau et de Bernard Pelissier.

Soutenue le 25-04-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de MAP - Microbiologie, Adaptation et Pathogénie, UMR 5240 (Lyon, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Daniel Prat.

Le jury était composé de Nathalie Poussereau, Bernard Pelissier, Bernard Dumas.

Les rapporteurs étaient Francismar Correa Marcelino Guimaraes, Ralf Voegele.

  • Titre traduit

    Identification et étude de promoteurs induits par la rouille asiatique du soja : application à un système de mort cellulaire artificielle


  • Résumé

    Phakopsora pachyrhizi Syd.& P.Syd. est le plus important fléau du soja (Glycine max (L.) Merrill). Introduit au Brésil dans les années 2000, ce champignon s’est rapidement répandu sur les deux continents Américains. Seule l’utilisation de fongicides associée à des pratiques culturales strictes permet de maintenir le niveau de production. L’utilisation répétitive de ces fongicides ainsi que la plasticité génétique de ce champignon ont rapidement entraîné une diminution d’efficacité de certaines molécules. Par ailleurs, la plupart des résistances verticales identifiées dans les ressources naturelles du soja restent inefficaces contre certains isolats du champignon. La compréhension des mécanismes de l’immunité des plantes permet de proposer des solutions biotechnologiques pour le contrôle des maladies. L’utilisation antérieure du système barnase/barstar induisant une mort cellulaire artificielle, a permis de générer des pommes de terre résistantes à Phytophtora infestans. Cette technologie est basée sur l’expression de la barnase une ribonucléase toxique pour les cellules, et la barstar un inhibiteur de la barnase. Il a été proposé d’évaluer ce système pour le contrôle de P. pachyrhizi. Le point critique de cette approche est de trouver le bon rapport de l’expression des gènes barnase/barstar. Pour ce faire la barnase sera placée sous le contrôle d’un promoteur induit par le pathogène, permettant une régulation spatiotemporelle. La recherche de tels promoteurs a été effectuée en utilisant des données transcriptomiques et bibliographiques. Des sojas stables exprimant les différentes fusions promoteur:GFP ont été créées afin d’étudier l’ expression spatiotemporelle de ces promoteurs en présence du champignon. Les promoteurs pGmCHIT1 (de G. max) et pgst1 (de Solanum tuberosum) contrôlant respectivement l’expression d’une chitinase et d’une glutathione-S-transférase ont été identifiés comme induits par le pathogène. L’impact de différents stress sur ces deux promoteurs a été évalué. Les constructions génétiques « barnase/barstar » comprenant les différentes combinaisons des promoteurs ont été générées. Nicotiana benthamiana a été utilisé pour exprimer transitoirement les construits et évaluer leur phytotoxicité en absence du pathogène. Un seul construit contenant le promoteur gst1 s’est avéré non phytotoxique. Il a été transféré avec succès dans le soja. Ces sojas n’ont pas montré de gain de tolérance à la rouille. Une proposition d’amélioration du système barnase/barstar est discutée afin de mieux cerner les possibilités et les limites de ce système pour le contrôle de la rouille du soja


  • Résumé

    Phakopsora pachyrhizi Syd.& P.Syd, the fungus responsible for Asian soybean rust, is the most devastating soybean (Glycine max (L.) Merrill) pathogen. First observed in the 2000s in Latin America, the pathogen has spread throughout the Americas. The control of this pathogen depends on the use of fungicides and strict agricultural practices. The repetitive use of the 3 classes of fungicides and the genome plasticity of the pathogen have led to a decreased efficacy of certain molecules. Although vertical resistance genes have been mapped in the soybean germplasm, most of them are not effective against all Asian soybean rust isolates. A deeper understanding of plant immunity facilitates the development of biotechnological approaches for plant disease control. Artificial cell death was previously developed to control Phytophthora infestans development in potato. The technology was based on a barnase ribonuclease that is highly toxic to the plant cell and that consequently needed to be expressed only in the presence of the pathogen. The lethal expression of barnase was counterbalanced by barstar, a highly specific inhibitor of barnase. We propose to evaluate this technology in soybean to control P. pachyrhizi. The key objective is the modulation of the ratio of barnase/barstar based on the identification of an adequate inducible promoter to control the expression of barnase. The previous literature and transcriptomic data were used to identify candidate promoters for barnase expression. Stable transgenic soybean expressing the different promoter:GFP fusions were generated to test the spatiotemporal activity of the promoters in the presence of the pathogen. pGmCHIT1 (from G. max) and pgst1 (from Solanum tuberosum) promoters controlling a chitinase and a glutathione-Stransferase, respectively, were identified as induced by soybean rust. The impacts of different stresses on these promoters were evaluated. Molecular constructs with different promoters driving the barnase and barstar gene combination were generated. Nicotiana benthamiana was used to evaluate construct toxicity in the absence of the pathogen. One single construct containing the promoter pgst1 was shown to be non-phytotoxic. This construct was successfully introduced in soybean plants. The generated soybeans were challenged with rust, but no protection was observed. Based on these results, we discuss how to improve the barnase/barstar system to control soybean rust


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