Licence en Biologie Fondamentale : 2016-­‐2017 SV6 -­‐ Parcours : Biotechnologies et Améliora5on des Plantes "BAP" Module : Ou*ls de biotechnologie et phytopathologie 3ème par*e: Introduc*on à la phytopathologie Pr. El Hassan Mayad Faculté des Sciences d’Agadir Dept. de Biologie [email protected] Objectifs spécifiques A la fin de ce cours, l’étudiant doit être capable de : ✓Connaître les différentes interaction entre les plantes et les microorganismes parasitaires ✓connaître les mécanismes d’attque utiliser par les agents pathogènes ✓ comprendre les réponses immunitaires de la cellules végétale suite à une infection parasitaire 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène IntroducGon q les plantes sont soumises en permanence à des a>aques d’agents pathogènes. q La maladie reste dans la majorité des cas une excepGon. q Les plantes ont mis en place, au cours de leur évoluGon, des systèmes de défense reposant sur de nombreux moGfs et mécanismes moléculaires sophisGqués afin de lu>er contre ces agressions extérieures. q Ces réacGons de défense sont gouvernées par la reconnaissance de l’agent pathogène par la plante hôte. 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène qIntroducGon Pour survivre, les plantes doivent se défendre contre divers bioagresseurs à différents stades de développement et au niveau de différents organes 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène Au niveau des interacGons Plante-­‐Agent Pathogène, on disGngue: 1-­‐ l’interacGon non-­‐hôte 2-­‐ l’interacGon hôte • incompaGbles • compaGbles 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.1. InteracGon non-­‐hôte Ø le microorganisme potenGellement pathogène est incapable de pénétrer ou de se reproduire et la plante n ́est pas affectée par l’infecGon. Ø La plante ne possède pas les éléments nécessaires pour une colonisaGon efficace par l’agent pathogène. Ø La plupart des interacGons entre les plantes et les agents pathogènes sont des interacGons non-­‐hôte. Ø Tous les génotypes d’une espèce donnée sont résistant à toutes les souches d’un pathogène donné 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôtes 1.2.1 InteracGons incompaGbles q Entre un hôte résistant et un agent pathogène avirulent même si l’espèce végétale est un hôte pour l’agent pathogène. q La reconnaissance race-­‐spécifique du microorganisme est le produit de l’incompaGbilité généGque entre celui-­‐ ci et la plante. 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôtes 1.2.1 InteracGons incompaGbles q InteracGons incompaGbles est déclenchée par une reconnaissance directe ou indirecte entre deux protéines : le produit d’un gène de résistance (R) de plante génotype-­‐spécifique et l’autre produit d’un gène d ́avirulence (Avr) de l’agent pathogène race-­‐ spécifique. q L’agent pathogène perd considérablement sa capacité à croître et se mulGplier et souvent la plante produit une réponse hypersensible (HR). 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2-­‐ InteracGons hôte: 1.2.1. InteracGons incompaGbles (suite) ü Dans la HR associée à la résistanceèmort rapide des cellules en réponse à l ́a>aqueè résistantes à l ́infecGon ü Ces réponses locales déclenchent souvent une résistance non spécifique dans toute la plante: résistance systémique acquise (SAR)èprotecGon contre les infecGons provoquées par un large spectre d’agents pathogènes. 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôte: 1.2.2. InteracGons compaGbles ü Entre hôte sensible ou de tolérance modérée et un agent pathogène virulent. ü Pas d’implicaGon de produits de gènes spécifiques des deux partenaires (gène R de la plante et Avr-­‐ du pathogène) : Pas de reconnaissance spécifique du pathogène ü InducGon des mécanismes de défense chez la plante par des composés appelés MAMPs (Microbe-­‐Associated Molecular Pa>erns) produits par des microorganismes, et ainsi limiter la croissance du pathogène (résistance parGelle). ü Les réponses de défense (défenses basales) qui sont induites modifient le degré de sensibilité de l h ́ ôte et la plupart sont corrélées avec une résistance quanGtaGve. 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôte 1.2.2. InteracGons compaGbles q La résistance hôte (que l’on peut analyser généGquement) peut être divisée en deux types: i. Résistance horizontale • De nombreux gènes sont impliqués dans la résistance (résistance polygénique). • A l’extrême peut se rapprocher de la résistance non-­‐hôte ii. Résistance ver*cale Un gène unique, en général dominant confère une résistance très spécifique. q Ces résistances sont très manipulables pour l’amélioraGon des plantes pour développer de nouveaux culGvars. 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôte: 1.2.2. InteracGons compaGbles Dans la résistance hôte, il existe des génotypes de pathogènes qui diffèrent dans leur capacité à infecter la plante hôte (Concept de race) III. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 1.2. InteracGons hôte: 1.2.2. InteracGons compaGbles 1. InteracGons plantes-­‐pathogènes : RelaGon Plante hôte-­‐pathogène 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes q Structure et composiGon de la paroi cellulaire végétal 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes q les agents pathogènes a>aquent les plantes par: o forces mécaniques o armes chimiques 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 1. Forces mécaniques § Quelques champignons et nématodes sont concernés § Exemples: champignons de la rouille, Colletotrichum § Appliquent une pression mécanique sur la surface de la plante qu'ils sont sur le point de pénétrer. § Produisent également des enzymes pour adoucir la la surface de la plante § Champignons: la structure de pénétraGon se compose d’appressorium § Nématodes: pénétraGon par stylet 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 1. Forces mécaniques 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques q Les agents pathogènes agissent sur les plantes par le biais sécréGon de substances variées: • Enzymes: • toxines: • régulateurs de croissance, • Polysaccharides et métabolistes diversifiées 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques q ProducGon d'enzymes § Cellulases: dégradaGon de la cellulose (paroi cellulaire) § PecGnases: dégradaGon des substances pecGques (Lamelles intermédiaires), principalement produites par les pathogènes de pourriture molle § CuGnases: lesions cutanée (cuGcule) § Ligninases: dégradaGon de la lignine (lamelle médiane & paroi cellulaire secondaire des vaisseaux du xylème), principalement produit par les basidiomycètes (champignons de la pourriture blanche) 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques q ProducGon d'enzymes PecGnases Cellulases Ligninases 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques q ProducGon de toxines § Toxines: produites par des microbes pathogènes végétaux § Causent une perturbaGon dans les processus physiologiques des cellules hôtes et finissent par les tuer § Substances extrêmement toxiques et efficaces en très faibles concentraGons § affectent les cellules hôtes par alteraGon de la perméabilité de la membrane cellulaire, ou inacGvaGon ou inhibiGon des enzymes 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques q ProducGon de toxines (suite) Ø Toxines non spécifiques à l'hôte o Phaseolotoxine § Produite par la bactérie Pseudomonas syringae Pv. Phaseolicola § Provoque le feu bactérien des haricots et des légumineuses § InacGve une enzyme dans la chaîne métabolique o Cercosporine §Produite par Cercospora sp. §Provoque des maladies des taches foliaires et des plaies §Toxique en raison de la producGon des espèces réacGves d’oxygènes (ROS) 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques 2.2. ProducGon de toxines (suite) Ø Toxines spécifiques à l'hôte o Victorin: Produit par le champignon Cochliobolus victoriae §Provoque le feu bactérien sur la variété d'avoine Victoria §cause des dommage à la structure de la paroi cellulaire entraînant une perte des électrolytes des cellules o T toxine: Produite par le champignon Cochliobolus Heterostrophus (anomorph Bipolaris maydis) §Provoque l’helminthosporiose (Southern corn leaf blight) maïs au sud §PerturbaGon de la foncGon des mitochondries 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques 2.3. ProducGon de régulateur de croissance § Auxins: (Indole-­‐3-­‐acéGque (IAA)) -­‐ forte concentraGon cause la fotmaGon des cellules tumorales -­‐ Exp. les nématode à galles § Gibberellins: (Acide Gibberellique) -­‐ forte concentraGon provoque une croissance anormale -­‐ exp : Maladie de Bakanae du riz causée par le champignon Gibberella fujikuroi (les semis de riz deviennent beaucoup Plus grand que les plantes saines) 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques 2.3. ProducGon de régulateur de croissance § Cytokinines : ZeaGne, isopentényl adénosine (IPA) -­‐ forte concentraGon provoque le développement de galles -­‐ exp. galles de couronnés, galle des racines des nématode § Acide abscissique -­‐ forte concentraGon provoque une croissance rabougrie -­‐ maladies de la mosaïque 2. Comment les agent pathogènes a>aquent les plantes 2. Armes chimiques 2.4. ProducGon de polysaccharides § Important dans les maladies de la maladie causées par les agents pathogènes qui envahissent le système vasculaire de la plante. § Provoque un blocage mécanique des vaisseaux conducteur et déclenchent ainsi le flétrissement. § exp: Fusariose 3. La réponse des plantes aux a>aques par les agents pathogènes 3. La réponse des plantes aux a>aques par les agents pathogènes q Les moyens de défense des plantes impliqués contre les agent pathogènes sont composés de deux types de défenses immunitaires : a. Immunité innée (passive) o Ensemble des barrières constitutive: § physiques § chimiques b. Immunité acquise (Actives): Ensemble des événements cellulaires déclenchés après contact avec l’agent pathogène, souvent spécifique et complexe 3.1. Immunité innée 3.1. Immunité Innée 1. Les barrière physique q La cire et la cuticule: Schéma simplifié de la structure d’un modèle de cuticule q La paroi végétale ØElle a une double structure (paroi primaire et secondaire) ØPossibilité d’induction de la callose en cas d’attaque par les pathogènes. La paroi des cellules végétales et ses différents niveaux d'organisation 3.1. Immunité Innée 2. Les barrière chimiques: Les métabolites secondaires : § Les plantes possèdent des métabolites secondaires (MII) avec des propriétés anGmicrobiennes/anG-­‐nématodes, parfois plus spécifiques. § Les MII sont présentent sous forme acGve ou inacGve (stockage sous forme de précurseurs) § Plusieurs classes de métabolites sont acGves contre les nématodes: o Saponines (triterpinoides, stéroïdiens) o Glucosinolates (Brassicacae) o Polyphenols o Alcaloides… 3.2. Immunité acquise (IA) § L’immunité acquise repose sur la reconnaissance des moGfs moléculaires associées uniquement à des infecGons par les agent pathogènes. § Les mécanismes de l’IA peuvent se résumer en trois étapes clés : 1. Perception du signale 2. La transduction du signal au niveau cellulaire 3. L’initiation des réactions de défense de la plante 3.2. Immunité acquise (IA) § On distingue deux types de l’immunité acquise : a. La résistance basale (PTI) b. La résistance spécifique (ETI) a) La résistance basale ou PTI (PAMP-TRIGGED IMMUNITY) § Première ligne de défense induite chez les plantes § PTI est acGvées par des récepteurs majoritairement membranaires de type PRR (Pa>ern recogniGon receptors) de reconnaissance pour les moGfs extracellulaires associés aux agents pathogènes PAMPs (pathogen/parasite-­‐associated molecular pa>erns, NAMPs pour les nématodes; MAMPs pour microbe) ou des MoGfs moléculaires associés aux dommages (DAMP). § Pendant cette étape on assiste à une interaction entre les éliciteurs (MAMPs et DAMPs) et les PRR § Les éliciteurs : Un éliciteur est une molécule capable d’induire au moins une des réponses typiques de défense § Ils ne présentent pas la spécificité de reconnaissance gène pour gène a) La résistance basale ou PTI (PAMP-TRIGGED IMMUNITY) q Perception : Eliciteurs exogènes et endogènes Pathogène è Molécule élicitrice Plant e Protéine réceptrice Source : Buchanan, Gruissem, Jones (2000) a) La résistance basale ou PTI (PAMP-TRIGGED IMMUNITY) q Transduction et Réponse rapide : Ø Activation des protéines G, associées aux récepteurs de la membrane Ø Entrée Ca++ et sortie K+ et Cl– à activation des enzymes « protéines kinases » Ø Stress oxydatif : production de « Reactive Oxygen Species (ROS) =La Forme Active d’Oxygène (FAO)» 1. Formation d’anion superoxide : O2 + NADPH à O2• – + NADP + H+ 2. A faible pH : formation de radical hydroperoxyl : O2• – + H+ à •HO2 3. Formation de peroxyde d’hydrogène : •HO2 + •HO2 à H2O2 + O2 ou H2O2 + Fe2+ à Fe3+ + OH• + OH– •HO 2 + O2• – à H2O2 + O2 + OH– a) La résistance basale ou PTI (PAMP-TRIGGED IMMUNITY) Choi and Klessig BMC Plant Biology (2016) 16:232 Transduction des signaux éliciteurs chez les plantes Les plantes utilisent > 50 000 composés (MS) dans leurs interaction avec l‘environnement. Hammond-Kosack et Jones, 1996 a) La résistance basale ou PTI (PAMP-TRIGGED IMMUNITY) § La défense basale des plantes implique un large répertoire de réacGons chimiques rapides: o La libéraGon des espèces réacGves d'oxygène (ROS), o des métabolites secondaires anGmicrobiens, o des enzymes hydrolyGques et des inhibiteurs de protéase o des forGficaGons locales de parois cellulaires végétales par lignificaGon et dépôts calloses b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) § Pendant cette étape on assiste à une interaction entre les effecteurs et les protéines de résistance R de manière plus spécifique § Les effecteurs : o Petite molécule ou protéine qui peuvent modifier la structure ou altérer le fonctionnement de la cellule hôte. o Se base sur la reconnaissance spécifique gène pour gène. § Les protéine de résistance (PR): o interagissent directement avec les effecteurs sécrétée par les agents pathogènes o Certaines protéines sont: • Extracellulaire • Cytoplasmique b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) q La reconnaissance spécifique d’un effecteur par la plante se fait par une protéine dite de résistance (protéine R) selon le modèle de Flor « Gène pour gène » L’interaction « gène pour gène» ou modèle de Flor (Barbary, 2014). q L’interaction entre ces deux gènes (R /Avr) conduit à la mise en place de la résistance spécifique b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) § Le modèle en zig-zag impliqué dans les interactions plantes - nématodes Modèle en zigzag appliqué aux interactions plantes-nématodes illustrant les deux mécanismes de perception de l’agents pathogène par la plante d’après (Castro-­‐quezada, 2013). b. La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) b.1. Les voies de signalisation et les réponses de défense q Les voies de signalisation • Les flux ioniques • Les cascades de Protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) • Les espèces réactives de l’oxygène (ROS) b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) § Rôle des phytohormones dans les voies de signalisation et le réponse de défense Phytohormone s Acide jasmonique (AJ) Ethylène (ET) phytoalexines La résistance systémique induite (ISR) Acide salicylique (AS) protéines PR La résistance systémique acquise (SAR) b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) b.2. Les réponses de défense 1. Le renforcement de la paroi cellulaire • Dépôts de composés phénoliques et de la callose • Accumulation de glycoprotéines riches en hydroxyproline 2. La synthèse des phytoalexines • composés toxiques dirigés contre l’agent pathogène 3. Production de protéines PR • fortement synthétisées au niveau des cellules entourant les lésions nécrotiques • Ils sont capables de dégrader la paroi cellulaire des nématodes b) La résistance spécifique (ETI : EFFECTORS-TRIGGED IMMUNITY) b.2. Les réponses de défense (suite) 4. La réponse d’hypersensible (HR) • La dernière étape du processus de mise en place de la résistance chez les plantes • Elle est caractérise par une mort cellulaire programmée (Apoptose) et localisée au site d’infection du pathogène • Elle est généralement associée à la résistance spécifique (ETI)
