Functional analysis of effectors plant targets of the nematode Meloidogyne incognita involved in the ontogenesis of giant cells

Description

Plant parasitic nematodes of the genus Meloidogyne, or root-knot nematodes, are a major phytosanitary problem worldwide. These obligate plant parasites have developed original and complex parasitism strategies. By injecting proteins called "effectors" into the host plant, they induce cell reprogramming and the transformation of root cells into enlarged and polynucleated feeding cells, named "giant cells". However, little is known about the determinism of these newly formed structures in plants. During my thesis, I focused on two proteins secreted by the root-knot nematode M. incognita: the effector 18 encoded by a pioneer gene (MiEFF18) and a protein disulfide isomerase (MiPDI). We have identified the plant protein targeted by the effectors using a yeast two hybrid screen approach and we have studied their roles in the compatible interaction and the formation of giant cells. Immunolocalisation experiments have shown that the protein MiEFF18 is produced in the salivary glands, accumulates in secretory granules indicating that it could be secreted in planta via the stylet. The use of translational fusions between MiEFF18 and GFP has shown that this effector accumulates in the nucleus and nucleolus of plant cells. The SmD1 proteins have been identified as MiEFF18 targets in tomato, Arabidopsis and in N. benthamiana. These SmD1 proteins are conserved and essential components of the spliceosome and the eukaryotic messenger RNA splicing machinery. The sequencing of the transcripts (RNAseq) of wild type plants of Arabidopsis thaliana, plants overexpressing MiEFF18, or mutant plants (knockout) for the AtSmD1b gene, shows that this effector is able to modulate the function of the alternative splicing regulator SmD1 and that its overexpression modifies the expression of genes involved in the giant cell ontogenesis. MiEFF18 also modulates the function of the SmD1 protein in triggering a specific "silencing" pathway called S-PTGS (« sense transgene post-transcriptional gene silencing»). We were able to show that Arabidopsis thaliana, Solanum lycopersicum (tomato) and Nicotiana benthamiana plants in which the expression of SmD1 is affected exhibit increased resistance to root-knot nematodes and that the function of the effector EFF18 is conserved in other Meloidogyne species. EFF18 effectors are therefore able to manipulate the different functions of SmD1 in order to promote the formation of giant cells during infection in Arabidopsis and Solanaceae. In a second part, we were able to demonstrate the secretion of the MiPDI-1 effector in giant cells. A yeast two hybrid strategy made it possible to identify its plant target, the stress-associated protein 12 (SAP12) in tomatoes and A. thaliana. SAP12 is a protein capable of sensing the environment redox state and is involved in plant defense and the response to various abiotic stress. The functional analysis of this effector/target made it possible to show that the manipulation of the SAP12 protein by MiPDI-1 is essential for the parasitic success of M. incognita, in order to (i) protect the larvae of reactive oxygen species produced during the penetration of the host and (ii) to modulate the expression of genes involved in defense and the response to stress during parasitism. This work shows the importance of studying the molecular dialogue between the parasite and the host plant and the characterization of the proteins targeted by these pests for the development of new resistances against these parasites.

Abstract (French)

Les nématodes parasites de plante du genre Meloidogyne, ou nématodes à galles, constituent un problème phytosanitaire majeur à l'échelle mondiale. Ces parasites obligatoires des plantes ont élaboré des mécanismes de parasitisme originaux et complexes. Grâce à l'injection dans la plante hôte de protéines appelées « effecteurs », ils induisent une reprogrammation cellulaire et la transformation de cellules racinaires en cellules nourricières hypertrophiées et polynucléées, nommées « cellules géantes ». Le déterminisme de ces structures néoformées chez la plante reste très mal connu. Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à deux protéines sécrétées par le nématode à galles M. incognita, l'effecteur 18 codé par un gène pionnier (MiEFF18) et une protéine disulfide isomérase (MiPDI). Nous avons identifié par une stratégie de double hybride en levures leurs cibles protéiques chez la plante et nous avons étudié leurs rôles dans l'interaction et la formation des cellules géantes. Des expériences d'immunolocalisation ont permis de démontrer que la protéine MiEFF18 est produite dans les glandes salivaires, s'accumule dans des granules de sécrétion indiquant qu'elle serait sécrétée in planta via le stylet. L'utilisation de fusions traductionnelles entre MiEFF18 et la GFP a montré que cet effecteur s'accumulait dans le noyau et le nucléole des cellules végétales. Les protéines SmD1 ont été identifié comme cibles de MiEFF18 chez la tomate, Arabidopsis et en N. benthamiana. Ces protéines SmD1 sont des composants conservés, essentiels du spliceosome et de la machinerie eucaryote d'épissage des ARN messagers. Le séquençage des transcrits (RNAseq) de plants sauvages d'Arabidopsis thaliana, de plantes surexprimant MiEFF18, ou mutantes (knock-out) pour le gène AtSmD1b, montre que cet effecteur est capable de moduler la fonction de régulateur de l'épissage alternatif de SmD1 et que sa surexpression modifie l'expression de gènes importants pour l'ontogenèse des cellules géantes. MiEFF18 module également la fonction de la protéine SmD1 dans le déclenchement d'une voie de « silencing » spécifique appelée S-PTGS (« sense transgene post-transcriptional gene silencing »). Nous avons pu montrer que des plantes d'Arabidopsis thaliana, de tomate (Solanum lycopersicum) et de Nicotiana benthamiana chez lesquelles l'expression de SmD1 est affectée présentent une résistance accrue aux nématodes à galles et que la fonction de l'effecteur EFF18 est conservée chez d'autres espèces de Meloidogyne. Les effecteurs EFF18 sont donc capables de manipuler les différentes fonctions de SmD1 afin de favoriser la formation des cellules géantes lors de l'infection chez Arabidopsis et deux Solanacées (tomate et N. benthamiana). Dans un second temps, nous avons pu démontrer la sécrétion de l'effecteur MiPDI-1 dans les cellules géantes. La stratégie de double hybride en levures a permis d'identifier sa cible végétale, la protéine associée au stress 12 (SAP12) chez la tomate et Arabidopsis. La protéine SAP12 est capable de déceler l'état d'oxydoréduction environnant et est impliquée dans la défense des plantes et la réponse à divers stress abiotiques. L'analyse fonctionnelle de ce couple effecteur-cible a permis de montrer que la manipulation de la protéine SAP12 par MiPDI-1 est indispensable au succès parasitaire de M. incognita, afin de (i) protéger les larves des espèces actives de l'oxygène produites au cours de la pénétration de l'hôte et (ii) de moduler l'expression de gènes impliqués dans la défense et la réponse aux stress au cours du parasitisme. L'ensemble de ces travaux montrent l'importance de l'étude du dialogue moléculaire entre le parasite et la plante et la caractérisation des protéines ciblées par ces bioagresseurs pour le développement de nouvelles formes de résistance contre ces ravageurs des cultures.

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