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Volume 2 numéro 1 |
Rédaction : Julien Fortier, M.Env., Agent de transfert de connaissances
Révision : Pierre Gagné, ing.f., M.Sc. Réseau Ligniculture Québec
Responsable : Louis Bernier
Collaborateurs : Marie-Josée Mottet, Pierre Périnet, Richard C. Hamelin, Damase Khasa, Selvadurai Dayanandan
Étudiants chercheurs : Nicolas Feau (post-doctorant), Volker Jacobi (post-doctorant), Hadi Bandali (doctorat), Mona Hamzeh (doctorat), Patrick Pollefeys (contrat)
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La sélection de matériel végétal résistant aux ravageurs est essentielle au développement de la ligniculture. Cependant, les populations de ravageurs évoluent sans cesse et s’adaptent aux nouveaux clones mis au point par les améliorateurs.
Chez le peuplier hybride, on distingue principalement deux maladies importantes dans l’est de l’Amérique du Nord, soit la rouille des feuilles et le chancre septorien, toutes deux causées par des champignons microscopiques.
Au Québec, le ravageur causant le chancre septorien est le Mycosphaerella populorum (état sexué, ou téléomorphe) aussi connu sous le nom de Septoria musiva (état asexué, ou anamorphe). La rouille du peuplier, quant à elle, est causée par deux espèces de champignons distinctes ayant chacune un groupe de peupliers hôtes sauvages et hybrides différent. Jusqu’à tout récemment, le Melampsora medusae f.sp. deltoidae était le seul responsable de cette maladie dans l’est de l’Amérique du Nord. Depuis 2002, une seconde espèce, le M. larici-populina, a été détectée au Québec. Sachant que cette dernière espèce a causé de lourds dégâts en Europe, il est nécessaire que les améliorateurs du peuplier tiennent compte de ces trois types de ravageurs et de leur potentiel évolutif.
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Le présent projet s’intéresse aux ravageurs Mycosphaerella populorum et Melampsora spp. Son objectif premier est de caractériser et de quantifier la variabilité génétique de la virulence de ces deux champignons à l’aide de marqueurs phénotypiques et moléculaires.
Pour ce faire, le projet vise à développer un grand nombre de marqueurs moléculaires très informatifs liés à la résistance au chancre septorien et à la rouille des feuilles chez les peupliers hybrides. Ces marqueurs pourront être utilisés pour comprendre l’héritabilité de la résistance chez des populations de peupliers issues de croisements dirigés. Les résultats obtenus pourront éventuellement servir à comparer, en termes d'efficacité, la sélection assistée de marqueurs moléculaires et la sélection phénotypique.
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À ce jour, le projet de recherche a mené à la parution de quatre publications et une affiche de synthèse. Un bref résumé de ces articles est présenté ci-dessous.
Feau, N., R.C. Hamelin, C. Vandecasteele, G.R. Stanosz et L. Bernier (2005). Genetic structure of Mycosphaerella populorum (anamorph Septoria musiva) populations in North-Central and Northeastern North America. Phytopathology 95: 608-616. |
La sélection et le déploiement de clones résistants au S. musiva est l’une des meilleures stratégies existantes pour diminuer les ravages causés par ce pathogène. Toutefois, la durabilité de la résistance d’un hôte est un processus évolutif qui dépend de la valeur adaptative, de la fréquence de recombinaison, du taux de mutation et du potentiel migratoire de l’agent pathogène. Il est donc nécessaire de comprendre tous ces mécanismes évolutifs afin de développer des clones résistants sur de longues périodes de temps.
La structure des populations étant encore mal documentée pour le S. musiva, en termes de diversité génétique globale et de variabilité génétique « entre » et « à l’intérieur » des populations, il devient plutôt difficile de déterminer si un clone donné sera résistant à l’intérieur d’un vaste territoire géographique. Par ailleurs, les connaissances reliées à la dynamique des populations du S. musiva demeurent encore fragmentaires puisqu’on ne connaît pas l’importance relative de la reproduction sexuée et asexuée au sein de l’espèce. Mentionnons que ces deux stades de reproduction sont fort différents. Lorsqu’il se retrouve au stade anamorphe, le champignon S. musiva produit des spores asexuées (conidies) qui sont dispersées par la pluie, alors qu’au stade téléomorphe, il produit plutôt des ascospores qui se dispersent par le vent.
Dans cette étude, les auteurs avaient comme objectif principal de déterminer la structure génétique des populations de S. musiva en Amérique du Nord. Pour ce faire, ils ont : (1) évalué la structure génétique du pathogène à plusieurs échelles spatiales, (2) estimé l’occurrence et la non occurrence de la reproduction sexuée dans les populations et enfin (3) évalué le degré de relation qui existe entre les populations échantillonnées sur le peuplier hybride par rapport aux populations responsables de taches foliaires sur l’hôte naturel endémique, le peuplier deltoïde (Populus deltoides). Les auteurs ont également évalué la relation qui existe entre une population de S. musiva responsable du chancre septorien et une autre responsable de la tache foliaire.
Au total, 352 échantillons répartis sur sept populations ont été récoltés. Ceux-ci provenaient de chancres ou de taches foliaires récoltés dans des plantations de peuplier hybride et chez des peupliers deltoïdes retrouvés aux abords des plantations. À la suite du développement de marqueurs moléculaires aléatoires de l’ADN (Random Amplified Polymorphic DNA; RAPD) basés sur la technique de Polymerase Chain
Reaction (PCR), 21 marqueurs polymorphiques ont été obtenus.
À partir de ces marqueurs, l’analyse fine de la diversité et de la structure génétique du S. musiva a montré que les sous-populations échantillonnées sur les peupliers hybrides ne peuvent être significativement
distinguées par rapport à celles rencontrées sur les peupliers deltoïdes. En revanche, les analyses
réalisées sur l’ensemble de la base de données montrent que : (1) toutes les populations étudiées sont fortement diversifiées et recombinantes, (2) la majorité de la variabilité (80 %) est observée à l’intérieur d’une même population, (3) alors qu’une variabilité de 20 % est observée entre les populations. Ces résultats suggèrent donc que les populations du S. musiva possèdent un fort potentiel d’adaptations locales face au matériel végétal déployé ou pouvant être déployé.
Feau, N., J.E. Weiland, G.R. Stanosz et L. Bernier (2005). Specific and sensitive PCR-based detection of Septoria musiva, S. populicola and S. populi, the cause of leaf spot and stem canker on poplars. Mycological Research 109 (9): 1015-1028. |
Comme nous l’avons vu, dans l’est de Amérique du Nord, le champignon S. musiva est un agent pathogène majeur responsable d’une tache foliaire et d’un chancre dans les plantations de peuplier hybride. Toutefois, on rencontre aussi le pathogène S. populicola (téléomorphe M. populicola) causant une tache foliaire endémique sur les peupliers indigènes Populus balsamifera, P. trichocarpa et leurs hybrides. Exceptionnellement, cette espèce peut également causer un chancre sur le P. balsamifera.
Dans ce contexte, l’acquisition de connaissances sur la répartition géographique de S. musiva et
S. populicola et sur la susceptibilité des hôtes à être infectés contribuera à l’évaluation des dommages
potentiels que pourraient causer ces ravageurs. Ces connaissances faciliteront également la réalisation d’un suivi des populations de ces champignons dans les plantations de peuplier hybride et chez les
peupliers indigènes.
Des méthodes basées sur les caractéristiques morphologiques des deux agents pathogènes sont actuellement employées pour identifier et détecter leur présence sur les peupliers. Cependant, ces méthodes manquent de précision en raison du chevauchement de certains traits morphologiques de ces deux
ravageurs, compliquant ainsi le diagnostic des deux espèces.
Ainsi, afin de clarifier la distribution géographique de S. musiva et S. populicola ainsi que le spectre des hôtes touchés, on peut avoir recours à des marqueurs moléculaires pour identifier des espèces variées de champignons possédant des caractéristiques morphologiques chevauchantes. Pour ce faire, on peut utiliser la technique de PCR, qui offre l’avantage d’amplifier des séquences d’ADN précises avec un haut niveau de sensibilité. Cette technique permet également de distinguer rapidement à quelle espèce appartiennent les fragments d’ADN amplifiés.
L’objectif de cette étude était d’étudier la variabilité génétique à l’intérieur des régions de l’ADN génomique dénommé « internal transcribed spacer (ITS) » du S. musiva, du S. populicola et du S. populi afin d’obtenir des marqueurs spécifiques pour chacune de ces espèces. Mentionnons que les régions ITS ont été sélectionnées à cause de leur haut degré de polymorphisme interspécifique, c’est-à-dire que ces segments d’ADN sont très distincts entre les espèces, d’où leur grande utilité à distinguer des espèces qui se ressemblent beaucoup morphologiquement. Les auteurs ont également choisi d’étudier la variabilité génétique du S. populi. Bien que sa présence en Amérique du Nord soit encore incertaine, cette dernière espèce est tout de même responsable d’une tache foliaire chez les peupliers en Europe et en Asie.
À la suite des essais PCR, les auteurs montrent que les marqueurs moléculaires employés sont suffisamment sensibles pour détecter soit le S. musiva, le S. populicola ou le S. populi. Ces résultats suggèrent donc que les marqueurs développés pourraient être utilisés pour détecter rapidement la présence de l’un ou l’autre de ces ravageurs dans les plantations de peuplier hybride ou en périphérie de celles-ci.
Feau, N., V. Jacobi, R.C. Hamelin et L. Bernier (2006). Screening of ESTs from Septoria musiva (teleomorphe Mycosphaerella populorum) for detection of SSR and PCR-RFLP markers. Molecular Ecology Notes 6: 356-358. |
Les analyses des marqueurs de type RAPD réalisées dans le cadre de la première publication décrite ci– dessus montrent qu’il y a une forte différenciation géographique entre les populations de S. musiva en
Amérique du Nord. Cependant, bien que cette technique d’analyse soit simple et efficace, les auteurs ont voulu développer deux autres types de marqueurs moléculaires plus facilement transférables, soit les « single sequence repeat (SSR) » communément appelés « marqueurs microsatellites » et les « restriction
fragment lenght polymorphism (RFLP) ».
Les résultats suggèrent que les marqueurs développés sont hautement spécifiques et qu’ils peuvent être utilisés avec des protocoles de PCR très simples. Cette technique est donc facilement transférable à des laboratoires situés près des aires de culture intensive du peuplier hybride en plus d’être un outil efficace pour suivre l’évolution de grandes populations de champignons pathogènes.
Feau, N., R.C. Hamelin et L. Bernier (2006). Attributes and congruence of three molecular data sets: inferring phylogenies among Septoria-related species from woody perennial plants. Molecular Phylogenetics and Evolution 40: 808-829. |
Afin d’acquérir de nouvelles connaissances sur les relations phylogénétiques (relations et liens de parenté entre les espèces) qui existent à l’intérieur du genre Septoria, les auteurs ont développé trois banques de données moléculaires à partir de gènes nucléaires et mitochondriaux. L’utilisation en combiné de plusieurs banques de données moléculaires est avantageuse par rapport à l’utilisation d’un seul gène parce qu’elle permet d’obtenir un arbre phylogénique de bien meilleure résolution. Dans cette optique, certains gènes mitochondriaux et nucléaires ont été employés en combinaison, puisqu’ils ont une histoire phylogénétique possiblement différente, en plus d’être génétiquement non reliés.
L’objectif principal des auteurs était donc d’optimiser la méthode de reconstruction phylogénétique à partir de ces trois banques de données moléculaires dans l’optique de réaliser une reconstruction phylogénétique pour les espèces apparentées au genre anamorphe Septoria et reliées au genre téléomorphe Mycosphaerella. Ainsi, une fois que l’utilité des trois banques de données est établie, il est possible de discerner si la phylogénie des gènes étudiés corrobore celle des études antérieurement publiées et réalisées à partir d’un seul gène (note : la phylogénie est l’étude de l’évolution des gènes en vue d’établir les liens de parenté entre les espèces).
Les pathogènes utilisés durant cette étude ont été échantillonnés sur plusieurs familles et genres de plantes ligneuses vivaces. Cette approche permet de vérifier si les caractéristiques morphologiques et phylogénétiques des différents agents pathogènes étudiés ont évolué spécifiquement avec la plante hôte.
En d’autres termes, cette étude vise globalement à déterminer le degré de co-évolution entre les espèces membres du genre Septoria et leurs plantes hôtes.
Les analyses réalisées à partir des différentes bases de données moléculaires offrent une résolution sans précédent pour le genre Septoria. En outre, les résultats obtenus corroborent ceux des études antérieures réalisées sur un seul gène. Plus spécifiquement, grâce à la phylogénie, il a été démontré que certaines espèces de Septoria sont distinctes, mais largement apparentées, et que ces espèces sont maintenant associées à une famille respective de plantes hôtes.
En revanche, d’autres espèces, dont certaines sont largement apparentées mais possédant un taxa
moléculaire différent, ont été rencontrées sur des hôtes différents. Cette découverte permet, dans ce cas particulier, de rejeter l’hypothèse de la co-évolution entre le parasite et l’hôte. Les auteurs concluent en discutant de modèles évolutionnaires alternatifs qui pourraient éventuellement mener à une meilleure compréhension de la relation phylogénique qui existe à l’intérieur du genre anamorphe Septoria.
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Les activités en cours concernent toujours les agents pathogènes des peupliers S. musiva et Melampsora spp. Une des études antérieures visait à développer des marqueurs moléculaires de type co-dominant et hautement informatifs (PCR-RFLP) chez le S. musiva. Le génotypage de différentes populations du
S. musiva au moyen de ces nouveaux marqueurs devrait permettre de mettre en évidence son centre
d’origine et de diversité et ainsi de préciser l’origine des épidémies de chancres et de taches foliaires.
En ce qui concerne les rouilles des peupliers, le travail effectué vise à développer un projet de génomique des populations chez ces agents pathogènes. Cette idée est liée au projet de séquençage du génome complet d’un des peupliers hôtes, le Populus trichocarpa, et à celui actuellement en cours du pathogène d’origine eurasiatique Melampsora larici-populina. Plusieurs banques de séquences partielles ou complètes d’ADNc (ADN complémentaire) ont pu être construites pour l’interaction « Peuplier – Melampsora ». Ces banques vont, à long terme, servir à l’annotation de la séquence génomique du M. larici-populina. Dans le cadre de travaux additionnels menés au laboratoire, elles ont été partiellement séquencées puis sondées au moyen d’outils de bioinformatique et de génomique comparative pour la recherche de polymorphismes moléculaires fonctionnels (signatures de sélection). De telles signatures détectées au sein des populations des Melampsora spp. doivent mener à l’identification de gènes impliqués dans l’adaptation des populations de l’agent pathogène à son hôte.
Une approche additionnelle, visant à l’étude fonctionnelle de ces gènes, est également en cours de développement au laboratoire. La complémentarité de ces deux approches devrait mener à une caractérisation évolutive et fonctionnelle de gènes impliqués dans l’adaptation d’un agent pathogène à son hôte.
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- Action concertée FQRNT - Fonds forestier
- Service canadien des forêts
- Réseau Ligniculture Québec
