Effet du fonds génétique sur l’expression d’un gène majeur de résistance au puceron vert chez le pêcher dans la descendance F2 Pamirskij X Rubira

Le pêcher : Prunus persica

Origine et caractéristiques

Le pêcher appartient à la famille des rosacées. Cette famille comprend notamment une grande diversité de végétaux fruitiers. On y trouve le pommier (genre Malus), le poirier (genre Pyrus), le prunier, l’abricotier, le cerisier, l’amandier et le pêcher (genre Prunus) ainsi que des petits fruits avec notamment les genres Fragaria (fraisier) et Rubus (framboisier).
Le pêcher est originaire des montagnes de l’Ouest de la Chine où il est cultivé depuis la haute Antiquité. La plus grande variabilité de types de pêcher rencontrée à l’état semi-spontané ou sauvage se rencontre en Chine centrale et au Turkestan Chinois (Huard et Monet, 1985). La culture du pêcher, ancienne d’au moins 4 000 ans, fut importée en occident dès l’Antiquité. Les Grecs et les Romains, considérant l’espèce d’origine persane, la nommèrent “ Pomum persicum ”. En France, le pêcher est cultivé depuis le Moyen-Age et l’apparition de l’espalier entre 1635 et 1650 a contribué à l’amélioration et à l’extension de sa culture. Chez le pêcher, quatre types de fruits sont distingués selon la pilosité de l’épiderme, la fermeté de la chair et son adhérence au noyau :
la pêche proprement dite, à peau duveteuse, chair fondante et noyau libre ,la nectarine, à peau lisse, chair fondante et noyau libre, improprement appelée brugnon sur les marchés, le brugnon, à peau lisse, chair fondante et noyau adhérent, la pavie, à peau duveteuse, chair non fondante et à noyau adhérent.
De manière générale, on trouve dans chacun de ces groupes des fruits de forme sphérique ou plate dont la chair blanche, jaune ou sanguine peut être de saveur douce ou acidulée.
Le pêcher est diploïde à fleurs hermaphrodites et préférentiellement autogames. Il requiert, comme la plupart des espèces fruitières cultivées, l’utilisation d’un porte-greffe (multiplication végétative) pour obtenir un verger homogène et performant.
Le pêcher est sensible à de nombreux ravageurs et maladies. Les principales maladies d’origine fongique sont : la cloque du pêcher (due à Taphrina deformans), l’oïdium (provoqué par Sphaerotheca pannosa), les monilioses (dues à Monilinia laxa, Monilinia fructigena et Monilinia fructicola) Le pêcher est une espèce chez laquelle différents virus et bactéries peuvent se multiplier. On peut citer principalement : les taches bactériennes (Xanthomonas arboricola) et la Sharka (due au Plum pox virus). Les principaux ravageurs sont : le puceron vert du pêcher (M. persicae), la tordeuse orientale du pêcher (Cydia molesta), les thrips californien (Frankliniella occidentalis et meridionalis), la cochenille blanche du mûrier (Pseudaulacaspis pentagona) et, pour les porte-greffes les nématodes (Meloidogyne incognita et javanica).

La sélection

Le pêcher est considéré comme une plante modèle pour l’étude moléculaire des rosacées (Abbott et al, 2002). En effet, sa période juvénile est courte (2 ans). C’est une espèce des mieux connues (40 caractères). L’espèce est diploïde 2n=16 avec un petit génome de 0,60 pg d’ADN, soit environ deux fois le génome d’Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
L’élaboration de la carte physique est en cours à l’université de Clemson (USA). Le séquençage complet du génome est également en cours. Un désavantage de cette espèce est qu’elle présente un polymorphisme faible.
L’évolution variétale que connaît cette espèce ne paraît pas avoir de limites. Depuis les années 50, le nombre de nouvelles variétés n’a cessé d’augmenter. A l’heure actuelle, la grande majorité des variétés cultivées en France est d’origine étrangère et plus particulièrement Californienne. Néanmoins cette tendance tend à s’atténuer en raison de la mise en marché de variétés obtenues par des hybrideurs français, essentiellement privés. Le déterminisme génétique de nombreux caractères est connu. Il s’agit pour la plupart de caractères qualitatifs simples tels que des caractéristiques du feuillage (couleur, type de bordure, présence et forme des nectaires), des caractéristiques de l’arbre (nain, port pleureur, port pyramidal), des caractéristiques du fruit (couleur de la chair, peau duveteuse, adhérence du noyau) et des caractéristiques de la fleur (couleur, fertilité du pollen, forme rosacée ou campanulée).
Actuellement la sélection prend en compte de nombreux paramètres et facteurs quantitatifs et qualitatifs plus ou moins importants du point de vue du producteur, du distributeur et du consommateur : pour le producteur, une production abondante et régulière, une bonne tenue des fruits… ; pour le distributeur, des fruits homogènes (forme, coloration…), un assortiment variétal, une bonne tenue des fruits en rayon… ; pour le consommateur, une qualité gustative correspondant à ces attentes.

Les mécanismes de défenses des plantes aux insectes

Dans leur habitat naturel, les plantes sont sujettes à de multiples contraintes biotiques et abiotiques. Ces contraintes activent de multiples voies de transduction de signal afin de répondre par une défense efficace dans le temps et l’espace (Dempsey et al 1999). Pour se protéger des attaques par les bioagresseurs, les plantes utilisent des défenses constitutives et induites. Ces défenses peuvent influencer l’installation, la survie, la croissance et le développement et/ou la fécondité des insectes.
Toutes les défenses sont coûteuses à la plante, qu’elles soient constantes ou transitoirement exprimées (Baldwin et Preston, 1999). En effet, elles utilisent des ressources en carbone et en azote qui ne pourront plus être utilisées à des fins de croissance et de développement. Ces défenses peuvent également impliquer des phénomènes de mort cellulaire (réaction hypersensible) qui peuvent affecter fortement la croissance voire la viabilité de la plante. La plante doit donc réaliser un équilibre entre assurer sa survie et sacrifier sa vitalité, longévité et reproduction.

Contrôle génétique de la résistance

La relation gène-pour-gène : Dans un certain nombre de cas, la résistance des plantes aux agents pathogènes est contrôlée par un gène simple et dominant, appelé gène-R, qui conduit à la reconnaissance par la plante de produits du pathogène codés par les gènes d’avirulence avr. C’est la relation gène-pour-gène mise en évidence par Flor (1955) dans l’interaction entre le lin et la rouille. Dans ce modèle, le gène-R possède deux allèles, l’allèle dominant R qui confère la résistance à l’agresseur et l’allèle récessif r de sensibilité.
Parallèlement, le pathogène possède le gène avr, qui a deux allèles possibles : l’allèle dominant Avr (allèle avirulent) et l’allèle avr qui est récessif (virulence de l’agresseur). La résistance opère quand une plante possède l’allèle R et l’insecte l’allèle Avr . On parle de réaction incompatible. Ce modèle, initialement développé dans le cadre des interactions plante-pathogène, a par la suite été utilisé pour décrire certaines relations plante-insecte piqueur-suceur. Un des plus grands groupes de R-gènes actifs contre une espèce d’insecte est celui qui confère la résistance à différents biotypes de la mouche de Hesse (Mayetiola destructor), diptère ravageur du blé.

Mécanismes de défense : défenses constitutives, défenses induites

Les plantes synthétisent de nombreux métabolites toxiques pour les insectes, et dont on suppose qu’ils agissent en tant que composés de défense pour la plante.
Défenses constitutives ou préformées :Les défenses constitutives peuvent agir comme une barrière physique qui gène la pénétration des pathogènes ou l’accès aux cellules des arthropodes, il peut s’agir de parois cellulaires lignifiées, imprégnées de subérine, de callose et/ou de cuticule épaisses mais il peut s’agir également de molécules phagorépulsives ou toxiques accumulées et stockées dans la plante et qui sont perçues par l’insecte le dissuadant de s’alimenter ou de pondre ou ayant un effet dépressif sur la survie, la croissance et le développement (Gatehouse, 2002).
La manière dont les composés de défense sont stockés est souvent essentielle à leur efficacité. Les toxines doivent pouvoir être libérées en grande quantité dès que les structures de la plante sont altérées. Cela peut être par l’alimentation de l’insecte voire par un mouvement en surface (Wittstock et Gershenzon, 2002). Les trichomes glandulaires et non glandulaires peuvent gêner l’installation et la survie des insectes sur la plante hôte.
Les plantes peuvent synthétiser des métabolites simples de défense mais également des mélanges complexes. Bien que la toxicité des composants considérés individuellement soit fréquente, la toxicité du mélange est plus forte que la somme de ces toxicités individuelles.

Résistance du pêcher au puceron vert du pêcher

Intérêts et enjeux

Si l’abondance des publications sur le puceron vert du pêcher témoigne de l’importance agronomique de ce ravageur et de son rôle d’espèce modèle pour les recherches cognitives chez les hémiptères (environ 900 publications pendant les dix dernières années, source : “Web of science”, Thomson ISI, http://isi02.isiknowledge.com/portal.cgi/wos), une très faible proportion d’entre elles est consacrée à l’étude de son interaction avec son hôte primaire, le pêcher. Les acquis sur la résistance génétique de cette espèce fruitière à M persicae émanent essentiellement des équipes de l’INRA.
Le puceron vert M. persicae est l’un des ravageurs majeurs du pêcher qui constitue son hôte primaire. Il peut former des colonies sur toutes les pousses, et compromettre fortement le développement (stérilité, dessèchement précoce et chute des fleurs, déformations des fruits, enroulement des feuilles), voire la survie des jeunes arbres. Ces problèmes sont régulièrement rencontrés dans certains bassins de production (Plaine de la Crau), et influent directement sur la qualité de la récolte (calibre, tonnage).
Le puceron vert est vecteur de virus, dont celui de la sharka (Massonié et al, 1982) qui menace aujourd’hui gravement les cultures de pêcher, prunier et abricotier et la filière de production de plants fruitiers en pépinière. Il faut également rappeler que le puceron vert possède de très nombreux hôtes secondaires et occasionne des dégâts directs et indirects (vection de nombreux virus) à différentes cultures maraîchères importantes en région méditerranéenne (solanacées dont la tomate, le piment, l’aubergine et la pomme de terre, cucurbitacées, crucifères…).
Les dommages causés par le puceron vert sont amplifiés par le développement de populations résistantes à la quasi-totalité des principales familles d’insecticides (Guillemaud et al, 2003a). Seuls les insecticides à base d’imidaclopride conservent une bonne efficacité, mais d’une part ils sont aujourd’hui déconseillés du fait d’une possible action néfaste sur la faune auxiliaire et les abeilles (Suchail et al, 2000), et d’autre part l’apparition de formes de puceron vert tolérantes à ces produits a déjà été mentionnée (Foster et al, 2003). La nécessité de traitements chimiques contre le puceron vert ralentit l’adoption des méthodes plus respectueuses de l’environnement vis-à-vis d’autres ravageurs (comme la confusion sexuelle pour le contrôle de la tordeuse orientale, Cydia molesta). Enfin, le puceron vert est l’un des bioagresseurs les plus problématiques lors de la conversion des vergers en arboriculture biologique (SERFEL, 2001). Un projet visant à développer des variétés de pêcher résistantes au puceron vert s’inscrit donc clairement dans une démarche de diminution des intrants en arboriculture, en permettant de réduire les traitements insecticides. Ce projet doit nécessairement faire appel à une utilisation raisonnée de la diversité génétique disponible afin de créer et diffuser des obtentions durablement résistantes au puceron vert.

Les acquis sur les sources de résistance

A la suite des prospections menées par les collections botaniques de la Station d’Arboriculture Fruitière du centre INRA de Bordeaux, plusieurs sources de résistance au puceron vert ont été mises en évidence dans les années 80 : chez Prunus davidiana, espèce sauvage proche du pêcher (Massonié et al, 1982), et chez les deux variétés de pêcher Weeping Flower Peach (WFP) et Rubira. Mon étude a porté sur du matériel dérivé de Rubira.
Contrôle génétique :Les études du déterminisme génétique du caractère de résistance au puceron vert chez Rubira ont conclu à l’existence d’un gène de résistance majeur et dominant (Rm2) (Pascal et al, 2002). Chez WFP, la résistance est aussi contrôlée par un gène majeur dominant (Rm1) (Monet et Massonié, 1994). A l’heure actuelle, on ignore si Rm1 et Rm2 sont identiques, s’il s’agit de deux allèles différents d’un même gène ou s’il s’agit de deux gènes différents. Les tests d’allélisme pour répondre à cette question sont en cours, de même que la cartographie génétique de Rm2.
Caractérisation de l’effet de la résistance sur le comportement du puceron :Des études de caractérisation des mécanismes de la résistance de Rubira ont été entreprises sur le plan du comportement du puceron. Rubira possède un mécanisme d’antixénose qui provoque le départ des pucerons de la plante (Sauge et al, 1998a).
L’antixénose est associée à des lésions nécrotiques localisées au lieu d’alimentation du puceron (Massonié et al, 1982). Ce sont des spots de couleur rougeâtre sur les tissus piqués par les insectes (Massonié et Maison, 1980) . Ce type de réaction rappelle les réactions de type hypersensible associées aux mécanismes de résistance aux agents pathogènes. Pascal et al (2002) ont montré que ces symptômes étaient systématiquement associés à la résistance. L’apparition de ces lésions est spécifique de l’espèce du puceron. En effet, Brachycaudus persicae, une autre espèce de puceron inféodée au pêcher, colonise fréquemment Rubira et se nourrit sans provoquer de nécrose. Le gène Rm2 confère une résistance pour deux espèces de pucerons : M. persicae et Myzus varians (le puceron cigarier) (Massonié G. et al, 1979).

Caractérisation de la réponse physiologique de la plante au puceron

Le caractère inductible de la résistance de Rubira a motivé des études sur la réponse métabolique de la plante en réponse à l’infestation par le puceron, par analyse RMN (métabolites primaires) et HPLC (métabolites secondaires) (Poëssel et al, 2006). Cette étude a notamment mis en évidence une baisse de la teneur en glutamine (acide aminé essentiel pour le développement du puceron), une baisse des teneurs en osmorégulateurs (sorbitol, inositol, proline), une baisse de la teneur en oxalate (production possible de H2O2 par l’oxalate oxydase conduisant à la HR), et une augmentation de la teneur en composés phénoliques potentiellement toxiques et répulsifs pour M. persicae.
Parmi l’ensemble des composés phénoliques analysés, un composé a été retenu plus particulièrement comme candidat effecteur de la résistance (Poëssel et al, 2002): l’acide 3’5- dicaféoylquinique, un dérivé de l’acide chlorogénique (ou acide 5 caféoylquinique) . Ce composé a déjà été associé à des mécanismes de résistance à des pucerons chez d’autres plantes (Cole, 1984). Son efficacité biologique sur M. persicae a été testée in vitro. L’étude a montré une répulsivité et une toxicité du produit (Servier 2005).
L’étude des profils phénoliques a ensuite été entreprise chez une descendance F2 issue du croisement entre Rubira et une variété sensible (Pamirskij), avant et après infestation par le puceron (Tixier 2005). Parallèlement à l’accumulation de phénols en réponse à l’infestation, on observe également des variations constitutives entre hybrides sensibles et résistants. En particulier les teneurs constitutives en acide 3,5 dicaféoylquinique sont plus importantes chez les génotypes résistants. Il y a donc probablement une part constitutive de la résistance.

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Table des matières

INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I) Le pêcher : Prunus persica
A- Origine et caractéristiques
B- Données économiques
C- La sélection
II) Les mécanismes de défenses des plantes aux insectes
A- Contrôle génétique de la résistance
1. La relation gène-pour-gène (Figure 7)
2. Résistances gouvernées par plusieurs gènes
B- Mécanismes de défense : défenses constitutives, défenses induites
1. Défenses constitutives ou préformées
2. Défenses induites
III) Résistance du pêcher au puceron vert du pêcher 
A- Intérêts et enjeux
B- Les acquis sur les sources de résistance
1. Contrôle génétique
2. Caractérisation de l’effet de la résistance sur le comportement du puceron
3. Caractérisation de la réponse physiologique de la plante au puceron
C- Questions biologiques en suspend
1. Contrôle génétique
2. Mécanisme de défense
3. Durabilité de la résistance
MATERIEL ET METHODES
I) Matériel végétal 
II) Matériel animal 
A- Cycle biologique
B- Modalité d’obtention des pucerons
III) Etude du niveau de résistance des plantes 
IV) Analyse des composés phénoliques
A- Plantes utilisées et dispositif expérimental
B- Extraction des composés phénoliques
C- Séparation des composés phénoliques par HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
V) Analyse statistique des résultats
RESULTATS
I) Caractérisation du niveau de résistance des hybrides
A- Contrôle des paramètres physiologiques de la plante
B- Comportement des pucerons
1. Comportement sur les plantes témoins
2. Comportement sur les hybrides
C- Symptômes de la plante ; corrélation entre l’intensité des symptômes et le comportement du puceron
1. Effet série
2. Effet génotypique
3. Corrélations entre l’intensité des symptômes et le comportement du puceron
II) Caractérisation des teneurs en composés phénoliques des hybrides et corrélation avec leur niveau de résistance
A- Caractérisation des teneurs en composés phénoliques
1. Variabilité de la teneur en composés phénoliques pour un même hybride
2. Effet génotypique
3. Effet de la couleur sur les teneurs en composés phénoliques
4. Corrélation entre les teneurs des deux composés
B- Corrélation entre les teneurs en composés phénoliques et le niveau de résistance des hybrides
III) Mise en relation des résultats obtenus en 2006 avec les travaux antérieurs
A- Caractérisation du niveau de résistance des hybrides
1. Comportement des pucerons
2. Etude des symptômes liés à la résistance des hybrides
B- Caractérisation des teneurs phénoliques et corrélation avec le niveau de résistance
1. Corrélations entre les teneurs en composés phénoliques obtenues en 2002 et celles obtenues en 2006
2. Corrélation entre les teneurs en composés phénoliques et le niveau de résistance des hybrides
DISCUSSION
I) Niveau de résistance des hybrides
II) Relation entre teneurs constitutives en composés phénoliques et niveau de résistance à Myzus persicae
III) Perspectives de l’étude
CONCLUSION
Références
Publications
Sites internet

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