Identifying the genetic determinants for virulence in the soybean cyst nematode Heterodera glycines

Autor: T. Ste-Croix, Dave
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis: Titre de l'écran-titre (visionné le 11 septembre 2023)
Le nématode à kyste du soja (NKS - Heterodera glycines) est l'agent pathogène le plus important sur le plan économique affectant les cultures de soja (Glycine max (L.) Merr) et entraîne des réductions significatives du rendement à l'échelle mondiale. Actuellement, la principale méthode de gestion de ce parasite racinaire consiste à utiliser la résistance naturelle de l'hôte. Deux sources de résistance génétique sont couramment employées pour atténuer ces pertes : les introductions de plantes de soja (PI) 548402 (Peking) et PI 88788. Cependant, en Amérique du Nord, plus de 95 % des variétés de soja résistantes tirent leur résistance de PI 88788. Bien que toujours efficace, un usage prolongé et soutenu de ces sources génétiques a conduit à l'émergence de virulence au sein de populations de NKS, avec certaines sous-populations désormais en mesure de surmonter la résistance de l'hôte. Le soya étant appelé à devenir l'une des cultures les plus importantes sur le plan économique au Québec et au Canada, comprendre comment le NKS surmonte la résistance est crucial. Pour mieux définir la base génétique de la virulence, une analyse transcriptomique comparative a été menée à l'échelle de l'individu permettant d'établir le profil d'expression de nématode unique. Le séquençage de multiples femelles, phénotypiquement sélectionnées sur la base de leur virulence, a permis d'établir un répertoire de gènes exprimés 16 jours après l'infection sur les lignées de soya résistantes Peking et PI 88788 et la lignée sensible Essex. En contrastant ces profils d'expression, nous avons constaté des variations dans les gènes effecteurs des nématodes se développant sur ces trois lignées, suggérant des stratégies distinctes pour contourner les différents types de résistance. Une analyse plus approfondie des gènes exprimés dans les nématodes virulents se développant sur Peking a révélé un large éventail de polymorphismes de séquence et d'utilisation différentielle des exons qui n'ont pas été observés dans les autres groupes de nématodes testés. S'appuyant sur la découverte d'épissage alternatif probable au niveau de gènes effecteurs, un transcriptome de novo a été généré à l'aide de longues lectures de séquences obtenues à partir de nématodes uniques. Cette analyse visait à évaluer la présence et l'étendue de l'épissage alternatif dans les gènes effecteurs et globalement à travers l'ensemble du transcriptome. En comparant le profil d'expression des transcrits identifiés dans cette analyse, entre des femelles virulentes contre PI 88788 et des femelles avirulentes, deux nouveaux effecteurs candidats prometteurs (Hg-CPZ-1 et Hg16414.1) ont été identifiés, ainsi que six effecteurs supplémentaires, tous surexprimés chez les femelles virulentes. Finalement, les microARN (miARN) du NKS, potentiellement impliqués dans la régulation post-transcriptionnelle des gènes effecteurs, ont été caractérisés à l'aide de sRNA-Seq. L'analyse des petits ARN isolés de nématodes entiers et d'exosomes, a permis d'identifier un grand jeu de miARN conservés et inédits, spécifiques au NKS ou aux Heterodera. Également, l'usage de deux prédicteurs de cibles, un spécifique aux animaux et l'autre spécifique aux plantes, a prédit un sous-ensemble de miARN capable d'interagir simultanément avec des gènes effecteurs et des gènes putativement liés à la résistance chez le soja, suggérant une nature complexe du parasitisme du NKS. En résumé, les résultats de ces études ont permis non seulement d'améliorer notre compréhension des mécanismes sous-jacents à l'évolution et à la régulation des gènes effecteurs, mais ont également identifié des cibles potentielles pour améliorer la résistance contre le NKS et détecter plus efficacement la présence de ce parasite destructeur.
The soybean cyst nematode (SCN - Heterodera glycines) is the most economically important pathogen affecting soybean crops, causing significant reductions in yield on a global scale. Currently, the primary method for the management of this destructive root parasite is by utilizing natural host resistance. There are two main sources of genetic resistance commonly used in commercial practices to mitigate these losses: soybean plant introductions (PI) 548402 (Peking) and PI 88788. However, in North America, over 95% of resistant soybeans derive their resistance from PI 88788 genetics. Although still effective to a large extent, prolonged exposure to these limited genetic sources has led to the emergence of virulence within the SCN population, with subpopulations of nematodes now capable of overcoming host resistance. Given that soybean is expected to become one of the most economically significant grain crops in Quebec and Canada, it is crucial to understand how these nematodes overcome resistance. To gain insights into the genetic basis of virulence, a comparative transcriptomic analysis was conducted on individual nematodes isolated from multiple SCN populations with varying degrees of virulence against both main sources of resistance. By comparing the gene expression profiles of females categorized by their virulence phenotypes, we observed a significantly different transcriptomic response in females developing on Peking compared to those developing on PI 88788 or the susceptible control Essex. Indeed, overexpression and repression was observed in multiple effector genes of females developing on Peking. Further sequence analysis of expressed genes in Peking virulent nematodes also revealed a wide array of sequence polymorphisms and differential exon usage not shared by PI 88788 virulent or avirulent nematodes. Building upon the findings of potential alternative splicing in effector genes, a de-novo genome-guided transcriptome was generated in chapter two using long reads sequencing generated from single nematodes. This analysis aimed to assess the presence and extent of alternative splicing within effector genes and, more broadly, the SCN transcriptome. By comparing the expression profiles of these transcripts in PI 88788 virulent and avirulent females from different populations, simultaneously selected on both cultivars, two promising novel effector gene candidates (Hg-CPZ-1 and Hg16414.1) were identified, along with six other overexpressed effector candidates common to all virulent females from PI 88788. Although the two first chapters identified multiple candidate effectors associated with Peking and PI 88788 virulence, the regulatory mechanisms controlling these effectors remained unknown. Consequently, the third chapter explored the SCN microRNAs (miRNA) characterizing candidates potentially involved in the post-transcriptional regulation of effector genes. A comprehensive analysis of whole-nematodes and exosome-derived miRNAs revealed a diverse set of species- and lineage-specific candidates characterized for the first time in the SCN. By utilizing animal-specific and plant-specific miRNA target predictors, a subset of these miRNAs were also predicted to interact with nematode effectors and soybean resistance-related genes emphasizing the complex nature of SCN parasitism through the potential ability of nematodes to not only regulate its effectors genes but also its host genes. In summary, the findings from these chapters have not only enhanced our understanding of the mechanisms underlying the evolution and regulation of effector genes but also provide potential targets for improving resistance against SCN and detecting the presence of this destructive root parasite more effectively.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: