France
March 5, 2011
Les génomes des champignons responsables de la rouille noire du blé (photo) et de la rouille foliaire du peuplier ont été décryptés et analysés par un consortium international associant des chercheurs de l’INRA, du CNRS et des universités Henri Poincaré – Nancy 1 et d’Aix-Marseille I et II (Université de Provence – Université de la Méditerranée), ainsi que les centres de séquençage du Joint Genome Institute et du Broad Institute of MIT and Harvard, et le service de recherche agricole (ARS) de l’USDA et de l’université du Minnesota aux Etats-Unis. Cette analyse met en évidence la présence d’un grand nombre de gènes chez ces deux champignons pathogènes, jusqu’ici encore jamais identifiés chez d’autres espèces. Ces gènes permettent la synthèse de protéines utilisées par les champignons pour neutraliser le système immunitaire de leurs hôtes respectifs. Ces nouvelles données seront utiles pour identifier les facteurs permettant aux rouilles de contourner les résistances à la maladie chez le blé et le peuplier. L’ensemble de ces résultats est publié dans l’édition en ligne avancée de la revue PNAS du 2 Mai 2011.
Comprendre les caractéristiques biologiques des propriétés invasives des champignons pathogènes des plantes permet à terme d’envisager des solutions plus durables pour s’en débarrasser. Causées par différentes espèces de champignons microscopiques, les maladies communément appelées "rouilles" causent des dégâts conséquents chez de nombreuses plantes d’importance agronomique, comme le blé, le soja, le caféier ou encore le peuplier. Dans une nouvelle étude, un consortium international de chercheurs qui associe notamment les centres INRA de Nancy et de Versailles, l’université Henri Poincaré – Nancy 1 ainsi qu’une équipe mixte CNRS/Université d’Aix-Marseille a séquencé et réalisé une analyse comparative des génomes de la rouille du blé et du peuplier. Ces maladies sont causées par des champignons dits biotrophes1, c'est-à-dire qu’ils se nourrissent de leurs plantes hôtes tout en les maintenant en vie. Ces champignons affaiblissent fortement les plantes attaquées et causent des baisses importantes de rendements en culture. La croissance et la reproduction des rouilles sont entièrement dépendantes des plantes dont ils sont pathogènes.
Le séquençage des génomes des champignons responsables de la rouille noire du blé (Puccinia graminis f. sp. tritici) et de la rouille foliaire du peuplier (Melampsora larici-populina) livre des résultats majeurs pour la compréhension du caractère parasitaire de la rouille.
Ainsi, les génomes des rouilles ont des tailles importantes et un très grand nombre de gènes (plus de 16000 chez les deux champignons). Parmi ceux-ci, plus de la moitié correspondent à de nouveaux gènes non identifiés auparavant chez d’autres pathogènes des plantes. Notamment, les génomes des rouilles présentent la particularité de pouvoir synthétiser plus d’un millier de protéines (dont la majorité sont spécifiques aux rouilles), ayant le profil typique d’effecteurs. Ces effecteurs sont des petites protéines sécrétées qui permettraient de neutraliser les systèmes de défense des plantes lors de l’infection. Les génomes des rouilles Melampsora larici-populina et Puccinia graminis contiennent également une très large proportion d’éléments transposables2. Ces derniers ont pu contribuer à des innovations chez les rouilles, notamment en favorisant la diversification de nouveaux gènes lors de la co-évolution avec les plantes-hôtes.
Les rouilles sont des maladies très difficiles à étudier du fait de leur mode de vie biotrophe obligatoire. Très peu de rouilles ont pu être isolées et maintenues artificiellement en laboratoire. Le séquençage de ces deux génomes constitue donc une avancée importante dans le domaine de la pathologie végétale du fait de l’importance des maladies des rouilles sur les plantes de grandes cultures d’intérêt agronomique. Ces résultats devraient permettre une meilleure compréhension des mécanismes permettant la mise en place de la biotrophie.
1 Les autres familles de champignons peuvent être nécrotrophes (elles tuent leurs plantes hôtes) ou encore hémibiotrophes (phase biotrophe suivie d’une phase nécrotrophe).
2 Aussi appelé transposon, un élément transposable est une séquence d'ADN capable de se déplacer et de se multiplier de manière autonome dans un génome.
3 http://www.nancy.inra.fr/la_science_et_vous/genome_du_peuplier
4 http://www.globalrust.org/
Référence:
Obligate biotrophy features unraveled by the genomic analysis of rust fungi.
PNAS édition en ligne avancée du 2 mai 2011 :
doi 10.1073/pnas.1019315108
Zoom sur la rouille noire du blé
La rouille noire du blé causée par Puccinia graminis f. sp. tritici a été responsable par le passé d’épidémies importantes partout où le blé a été planté. Depuis le milieu du siècle dernier, l’utilisation de variétés résistantes pour la culture du blé a permis de limiter l’impact de la maladie. Cependant l’apparition en 1999 en Ouganda de la souche hyper-virulente Ug99 du champignon et sa détection ultérieure en Afrique du Sud, au Yémen et en Iran, représentent une menace pour la production mondiale. En effet, 85 % des variétés de blé cultivées dans les zones majeures de production sont potentiellement sensibles à cette souche. Dans la zone actuellement la plus menacée (Moyen-Orient, Asie Centrale et sous-continent indien), ces variétés couvrent 90 % des surfaces emblavées en blé. Un programme mondial contre la maladie a d’ailleurs été réactivé4. Le séquençage du génome de la rouille du blé ouvre donc des perspectives importantes pour la compréhension des mécanismes conduisant au contournement des résistances à cette maladie chez le blé, et notamment pour l’identification des effecteurs qui manipulent les systèmes de reconnaissance de la plante. Cette avancée cruciale dans le domaine de la génomique des champignons devrait permettre de contribuer à la sélection de nouvelles variétés de blé pour contrer la souche Ug99 et de nouvelles souches agressives du champignon.
Photo: © Marc Fouchard/INRA
Plant immunity ‘corroded’ by rust
The genomes of fungi which cause wheat stem rust and poplar rust have been sequenced and analyzed by an international consortium of researchers at INRA, the CNRS, the Universités Henri Poincaré – Nancy 1 and Aix-Marseille I and II (Université de Provence – Université de la Méditerranée), the sequencing centres of the Joint Genome Institute and the Broad Institute of MIT and Harvard, the agricultural research service of the USDA and the University of Minnesota in the United States. This analysis has uncovered the presence in these pathogens of a large number of genes never before identified in other species. These genes encode the secretion of proteins used by the fungi to suppress immunity in host plants. This new data will help identify how rust fungi avoid defence responses in wheat and poplar. The full results of the study are published in the advanced online version of the magazine of the PNAS (2 May 2011 edition).
Understanding the biological characteristics of the invasive properties of fungal pathogens in plants is an important step towards developing more sustainable solutions for their elimination. These microscopic fungi cause highly destructive diseases commonly known as “rusts” in several agronomically important crops such as wheat, soy, coffee and poplar. In a new study, an international consortium of researchers from the INRA centres in Nancy and Versailles, the Université Henri Poincaré – Nancy 1 and a joint team from the CNRS and Université d’Aix – Marseille sequenced and conducted a comparative analysis of the genomes of wheat and poplar rust fungi. These diseases are caused by biotrophic fungi1, which feed off the host plant without killing it. The rust significantly weakens the infested plants and seriously reduces crop yields. Growth and reproduction of these rust fungi depend entirely on the plants which they parasite.
Sequencing of the genomes of the fungi responsible for wheat steam rust (Puccinia graminis f. sp. tritici) and poplar leaf rust (Melampsora larici-populina) has significantly contributed to understanding the parasitic nature of rust.
Rust genomes are large in size and contain a very large repertoire of genes (over 16,000 in the two fungi). Over half are new genes previously unidentified in other plant pathogens. Rust fungi genomes, for example, present a specific ability to secrete over a thousand different effector-like proteins (most of which occur only in rust fungi). These effectors are small, secreted proteins believed to be capable of suppressing the defence systems of plants during infection. The genomes of Melampsora larici-populina and Puccinia graminis also contain a massive proliferation of transposable elements2 which have contributed to innovation in rusts, notably by facilitating the appearance of new genes as the pathogens coevolve with the host plants.
Rusts are very difficult to study due to their obligate biotrophic lifestyle. Few varieties of rust fungi can be isolated and artificially maintained in a laboratory. The sequencing of these two genomes therefore represents an important breakthrough in the study of plant pathology, given the impact of foliar diseases in crops of major agronomical interest. The results of this study are expected to further understanding of the mechanisms behind the evolution of biotrophy.
Reference:
Obligate biotrophy features unraveled by the genomic analysis of rust fungi.
PNAS advanced online version of 2 May 2011:
doi 10.1073/pnas.1019315108
Wheat stem rust
Puccinia graminis f. sp. tritici, the causal agent of black rust in wheat stem, has caused large-scale epidemics in wheat crops around the world. The use of resistant wheat varieties since the mid 20th century has successfully reduced the impact of the disease. However the appearance of the highly virulent Ug99 strain of the fungus in Uganda in 1999 and later in South Africa, Yemen and Iran poses a threat to worldwide production, as 85% of the wheat varieties grown in major production zones are vulnerable to this strain (as are 90% of the varieties sown in the Middle East, Central Asia and the Indian subcontinent – the most vulnerable zones). In response, an international programme to fight the disease was reactivated4. Sequencing of the wheat stem rust genome therefore represents an important step towards understanding the mechanisms involved in overcoming resistance in wheat to the disease, and towards identifying the effectors which manipulate a plant’s immune system. This crucial breakthrough in the field of fungal genomics is expected to help breed new wheat varieties to fight the Ug99 strain and other new and aggressive strains of the fungus.
Topics
Species
