France
January 29, 2016
At INRA Angers-Nantes, IRHS researchers are studying plant mechanisms of resistance against disease, and in particular against apple scab. Within the framework of a regional project, an animated film entitled “Road Movie” was made to explain how scientists are identifying genes that have a durable resistance. Don’t miss it!
One of life’s small pleasures is sinking one’s teeth into a crispy apple! Except if the apple is infected with apple scab… This disease, caused by the Ventura ineaqualis fungus, really takes a toll on an apple’s appeal with brownish spots and bruises. It can reduce, or even wipe out, the production of an apple tree without actually killing the tree. Generally speaking, where there are apple trees, there is apple scab. More than 90% of European apple orchards are planted with varieties that are susceptible to the disease. Apples are the world’s third fruit crop, and Europe’s first, and the industry now seeks nothing short of total eradication of the disease. In retail, bruised fruit is not considered shelf-worthy, sounding the death knell for growers.
To fight against the disease, growers have recourse to several methods, including the use of resistant varieties. Unfortunately, the fungus responsible for apple scab often finds a way to adapt to natural resistance. “In the race to find a solution, it’s often the pathogen that wins, because it has an incredible capacity to adapt. That is why we have to protect resistance with complimentary methods, once the varieties are introduced into orchards” explains Bruno Le Cam, INRA director of research at the Research Institute of Horticulture and Seeds (IRHS) in Angers and coordinator of the Road Movie project.
Gene for gene: searching for durable resistance
Faced with this “resistance failure” vis-à-vis disease, researchers are testing a new strategy based on knowledge of the mechanisms that come into play during an infection. “When a plant gets infected, the pathogen secretes hundreds of little proteins”, explains Bruno Le Cam. Meanwhile, the plant is able to recognize the presence of the pathogen thanks to receptor proteins encoded by resistance genes. All it takes is for one single fungal protein to enter into contact with one of the plant’s receptors for the plant to trigger defence mechanisms and stave off the attack. That is what is referred to as gene for gene interaction: for every resistance gene there is a corresponding avirulence gene. This system works like a charm as long as the pathogen is recognised. However, it is a known fact of nature that random mutations take place within a pathogen’s genome. If the gene that encodes the avirulent protein mutates, the plant’s receptor protein won’t recognise it, and the disease can wreak havoc. Based on this knowledge, scientists are trying to predict the durability of resistance genes. They must identify avirulent proteins in pathogens that are indispensable to the survival of the fungus, and for which a mutation would be fatal. “If an avirulent protein never mutates, the corresponding resistance gene - which still has to be identified in our genetic databases - should be durable. That’s what we’re betting on!” explains Bruno Le Cam.
A huge asset for IRHS is the access it has to a large range of strains that allows scientists to look for fungal proteins that never underwent a mutation. “We have already sequenced 90 genomes of the Ventura ineaqualis strainfrom wild and cultivated apple trees in five continents, or from other plants of the Rosaceae family such as firethorn and medlar. If we don’t observe any mutations among these ‘candidate genes’ despite the genetic and geographic diversity of the samples, that means that the configuration or modus operandi of these proteins is truly indispensable to the survival of the fungus”. Since it has substantial genetic resources for apple trees, IRHS can bombard apple trees with “candidate” fungal proteins to discover the famous durable genes of resistance. In that plant material lies, quite possibly, the source of durable resistance that will bless the varietals of tomorrow.
Les plantes font de la résistance
À l’Inra d’Angers-Nantes, des chercheurs de l’IRHS étudient les mécanismes de résistance des plantes aux maladies, en particulier la tavelure du pommier. Dans le cadre d’un projet régional « Road Movie », un film d'animation a été réalisé pour expliquer la stratégie d'identification de gènes à résistance durable. À découvrir.
Quel plaisir de croquer dans une pomme à pleines dents ! Sauf si la tavelure est passée par là… Les taches et déformations brunâtres, qui ne rendent plus le fruit si désirable sont la conséquence de cette maladie provoquée par un champignon, Ventura ineaqualis. Elle peut réduire voire anéantir la production d’un arbre mais ne le tue cependant pas. Globalement, là où il y a des pommiers, il y a la tavelure. Plus de 90 % des vergers européens sont plantés avec des variétés sensibles à cette maladie. Seulement, le pommier est la troisième culture fruitière mondiale et la première en Europe et dans la profession, c’est la tolérance zéro qui est de mise. Dans la grande distribution, tout fruit taché est éliminé de la vente. La sentence est terrible.
Pour lutter contre, les arboriculteurs disposent de plusieurs méthodes parmi lesquelles l’utilisation de variétés résistantes. Malheureusement, le champignon responsable de la tavelure trouve trop souvent les clés pour s’adapter à ces résistances naturelles. « Dans la course à l’armement, c’est le plus souvent le pathogène qui gagne car il présente une formidable capacité à s’adapter. D’où la nécessité de protéger ces résistances par des méthodes de lutte complémentaires, une fois que les variétés sont déployées au champ », constate Bruno Le Cam, directeur de recherche Inra à l’Institut de recherche en horticulture et semences d’Angers (IRHS) et coordinateur du projet Roadmovie.
Gène pour gène : à la recherche de la résistance durable
Face à cette « faillite des résistances » vis-à-vis des maladies, les chercheurs testent une nouvelle stratégie basée sur la connaissance des mécanismes en jeu pendant une infection. « Lors de l’infection d’une plante, les agents pathogènes secrètent des centaines de petites protéines » explique Bruno Le Cam. De son côté la plante a les moyens de reconnaître la présence de pathogènes grâce à des protéines réceptrices codées par des gènes de résistance. Qu’une seule protéine fongique entre en contact avec un des récepteurs de la plante, et celle-ci déclenche des réactions de défense qui bloqueront l’attaque ! On parle d’interaction gène pour gène : à un gène de résistance correspond un gène d’avirulence. Le système fonctionne très bien tant que l’agent pathogène est reconnu. En revanche on sait que dans la nature les agents pathogènes peuvent muter de manière aléatoire dans le génome. Or si le gène codant pour la protéine d’avirulence mute, la protéine réceptrice ne la reconnaîtra plus, et la maladie s’installera. Sur la base de ces connaissances, les scientifiques tentent de prédire la durabilité des gènes de résistance. Il s’agit d’identifier chez le pathogène des protéines d’avirulence indispensables à la survie du champignon et dont la mutation lui serait fatale. « Si la protéine d’avirulence ne présente jamais de mutation, alors le gène de résistance correspondant – qui reste à identifier dans nos ressources génétiques - devrait être durable. C’est le pari de notre projet ! », détaille Bruno Le Cam.
Le point fort de l’IRHS est de pouvoir disposer d’un large éventail de souches qui leur permet de rechercher des protéines fongiques ne présentant pas de mutation. « Nous avons déjà séquencé 90 génomes de souches de Ventura ineaqualis provenant des pommiers cultivés et sauvages des 5 continents ou encore sur d’autres rosacées comme le buisson ardent et le néflier. Si nous n’observons pas de mutation parmi ces gènes ’candidats’ malgré la diversité génétique et géographique des sources de prélèvements, cela signifie que la configuration ou la fonction de ces protéines est vraiment indispensable à la survie du champignon ». Disposant d’importants ressources génétiques de pommier, l’IRHS peut cribler ces pommiers avec les protéines fongiques 'candidates' pour découvrir ces fameux gènes de résistance durable. Dans ce matériel végétal se trouvent potentiellement les sources de résistance durables qui seront présentes dans les variétés de demain.
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