Evolution forces involve in aphid populations Aphis gossypii on resistant melon plants - DUMAS - Dépôt Universitaire de Mémoires Après Soutenance Access content directly
Master Thesis Year : 2018

Evolution forces involve in aphid populations Aphis gossypii on resistant melon plants

Abstract

Target-gene amplicon sequencing is being more and more exploited high-throughput sequencing application to study diversity and interactions within a population. We studied the dynamic evolution of drift and natural selection forces between two resistant clones of A. gossypii, CUC1 and C6, in two plant genotypes of Cucumis Melo, one containing the Vat gene. Plants were infested with resistant aphid clones at diverse range of departure conditions in twelve of each genotype and sampled at two periods after the infestation. We developed a specific amplicon that contains multiples homozygous SNPs that allow differentiating between clone. This method required to construct and estimate a frequency gradient to verify the power and accuracy of the measured frequencies by the amplicon. The study methods for put in evidence the effect of competition were not either complex or expensive. Overall, the results showed that competition was favorable to CUC1 on susceptible plants and to C6 on resistant plants. We observed that no basic methods are available to study effect of drift. New approaches, either quantifying aphids or the use of models can to disclose the effect of drift in populations.
I) Introduction : Les pucerons sont parmi les insectes phloèmophages le groupe de ravageurs le plus important sur le plan économique et le plus cosmopolite (Dixon et al., 1987) (C Michael Smith et Chuang, 2014). La plupart des pucerons sont hautement spécialisés et ne peuvent infester que les plantes appartenant à une famille ou à un petit nombre d’espèces apparentées. Cependant, certaines espèces peuvent coloniser des plantes dans plusieurs familles, y compris parmi les 6 principales cultures alimentaires de climat tempéré (blé, pomme de terre, betterave à sucre, maïs , tomate et orge) ( Blackman & Eastop, 2000 ). Les infestations peuvent se développer rapidement dans la plupart des paysages agricoles en raison de leurs taux de reproduction élevés, de leur grande plasticité à l’environnement et de leurs grandes capacités de dispersion. De multiples stratégies sont disponibles pour contrôler les pucerons: le contrôle chimique, biologique et la résistance de l'hôte. Leur applicabilité et leur succès dépendent des types de culture. De manière générale, les programmes de lutte intégrée contre les ravageurs (IPM) intègrent spatialement et ponctuellement plusieurs stratégies pour accroître leur efficacité. Les pucerons sont l'un des principaux groupes cibles du développement des pesticides. En fait, l’usage illimité et répétitif de pesticides de synthèse au cours du siècle dernier a entraîné l’émergence de nouveaux génotypes de pucerons qui ont acquis une résistance à une ou plusieurs familles d’insecticide. La législation de l'Union européenne a imposé de plus en plus de restrictions à l'application des insecticides en raison de leur impact négatif sur l'environnement (Jaouannet et al., 2014). Des variétés résistantes aux pucerons et aux virus qu’ils transmettent sont de plus en plus utilisées pour contrôler les populations en raison de leurs avantages écologiques et de leur grande efficacité. Parmi les pucerons, le puceron du melon et du cotonnier Aphis gossypii est un cas d'étude fascinant. A. gossypii est un ravageur mondial capable de coloniser plus de 600 plantes hôtes dans des familles telles que les Cucurbitaceae, Rutaceae et Malvaceae. Récemment, la lutte chimique contre A. gossypii a été de plus en plus restreinte parce qu’il a développé une résistance à une grande variété de classes d'insecticides (Carletto et al., 2010). Par conséquent, l'identification de résistance chezla plante hôte et le développement de nouvelles variétés ayant intégré ces résistances sont devenus essentiels dans le contrôle d’A. gossypii. Une résistance génétique, contrôlée par le gène Vat-1, a été identifiée dans des lignées de Cucumis melo du monde entier et introduite dans les lignes commerciales, principalement en France. Une étude génétique suggère qu’en fait deux gènes situés dans un groupe de gènes appartenant à la famille CC-NBS-LRR des gènes de résistance des plantes contrôlent la résistance (Boissot et al., 2016 a). Le gène Vat-1 confère non seulement une résistance aux infestations par A. gossypii mais inhibe également les infections des plantes par des virus non circulants transmis par ce puceron (Dogimont et al., 2014). Dans l’étude présentée ici nous avons étudié l’évolution dynamique entre deux forces évolutives, de compétition et de dérive, dans une population de deux clones d’A. gossypii, CUC1 et C6, capables de se développer sur des plantes de melon Vat. Douze plantes issues de lignées quasi-isogéniques, possédant ou non le gène Vat, ont été infestées selon diverses conditions. Les deux populations de pucerons se sont développées et ont été échantillonnées après 4 et 8 jours. La fréquence des deux clones de pucerons a été utilisée comme estimateur de la présence ou de l'absence de forces d'évolution ; Elle a été déterminée en utilisant des méthodes de séquençage à haut débit (HTS). Nous avons développé un amplicon spécifique qui contient plusieurs SNP homozygotes permettant de différencier les deux clones. Nous avons construit un gradient de fréquences connues pour vérifier la puissance et la précision des fréquences mesurées par notre amplicon. Nous avons constaté que la sélection naturelle était présente et que la compétition était favorable pour le clone CUC1 sur les plantes sans le gène Vat et pour C6 sur les plantes avec le gène Vat. De même, nos résultats suggèrent que la dérive génétique était également présente lors des infestations à très faibles densités.
II) Matériel et méthodes : Nous avons dans un premier temps identifié le polymorphisme de nucléotides simples (SNP) homozygotes dans le transcriptome de deux clones d’A. gossypii, CUC1 et C6. Puis plusieurs étapes de filtrage ont été effectuées pour choisir les meilleurs amplicons permettant de différencier ces 2 clones par séquençage NGS Illumina (appel de variantes, conception des amorces et vérification par des méthodes de séquençage Sanger). Pour vérifier que les amplicons répondent aux attentes d’estimation des clones dans un mélange, nous avons construit un ensemble de mélanges connus des deux clones de pucerons, appelé "Abacus", et les avons soumis au séquençage NGS. La relation entre les fréquences attendues et les fréquences estimées nous a permisd’estimer, l’efficacité de notre technique. Trois essais biologiques ont été réalisés pour étudier l'effet des fréquences de départ, de la densité et du positionnement sur les effets de compétition et de dérive. Dans chaque essai, 12 plantes de chaque lignée quasi-isogénique Charentais, avec et sans le gène Vat, ont été infestées par CUC1 et C6. Les populations de pucerons ont été collectées 4 et 8 jours après l'infestation. Les échantillons contenant un pool de pucerons CUC1 et C6 et du matériel végétal ont été soumis à une extraction par ADN isopropanol-éthanol et à un séquençage NGS. Les données de séquences , ont été traitées par plusieurs outils de bio-informatique afin d’obtenir pour chaque échantillon, le nombre de ‘reads’ pour chaque SNP. Alors, nous avons calculé la fréquence de chaque SNP C6 par Rstudio v 1.1.456 . Les forces de la compétition ont été étudiées en comparant les fréquences mesurées et les fréquences attendues entre les clones dans chaque modalité et en examinant la direction de cette compétition. La présence de dérive génétique a été étudiée en regardant la distribution des valeurs de fréquence des clones.
III) Résultats : Nous avons conçu deux amplicons contenant respectivement six et quatre SNP homozygotes pour les clones CUC1 et C6 d’A. gossypii. Les deux amplicons définis à partir d’un transcriptome de référence étaient différents des résultats attendus. Dans l'amplicon 1, un intron de 75 pb a été trouvé au milieu. Cette séquence contenait 3 nouveaux SNP homozygotes pour CUC1 et C6, augmentant la fiabilité de l'amplicon 1. Cependant, la précision pour l’estimation de la fréquence des 3 SNP initialement identifiés a été réduite en raison du décalage du principe de chevauchement lors de la construction des bibliothèques de séquençage NGS. Les séquences d'amorces par paires de l'amplicon 2 incluaient par erreur l'un des trois SNPS. Cela a suggéré que l'amplification du locus 2 n'était pas spécifique pour les deux clones. Ensuite, nous avons vérifié la fiabilité de la fréquence des SNPs détectés pour les échantillons de l’abaque en vérifiant la relation entre les fréquences mesurées et attendues en plusieurs étapes: i) régression linéaire ; ii) bande de confiance de la droite de régression ; iii) bande de confiance du point prévu et enfin iv) simulations d'erreurs lors de la préparation des échantillons. Seul l’amplicon 1 est apparu approprié pour étudier la fréquence de C6 /CUC1 dans une population. Il a été utilisé pour la suite de l’étude. Pour étudier la présence ou l'absence de compétition entre les clones CUC1 et C6 dans une population, nous avons comparé les fréquences initiales avec les fréquences moyennes mesurées après 4 et 8 jours. Globalement, les résultats ont montré que la compétition était favorable à CUC1 sur les plantes sensibles (sans le gène Vat) et à C6 sur les plantes résistantes (avec le gène Vat). Pour étudier la présence ou l'absence de dérive génétique, nous avons examiné les fréquences mesurées en dehors du CI à 95% et l'écart type (S). Les fréquences mesurées fluctuent considérablement lorsque le nombre initial de pucerons est faible, suggérant que la dérive est présente lorsque le nombre initial de pucerons est inférieur à 4.
IV) Conclusion : Bien que les deux clones CUC1 et C6 d’A. gossypii soient génétiquement proches et appartiennent à un même cluster génétique (Thomas et al., 2016), nous avons réussi à définir un amplicon capable de les distinguer. Les SNP contenus dans l'amplicon sont homozygotes pour les deux clones. La méthode d'étude que nous avons mise au point permet de mettre en évidence la compétition entre clones de manière ni complexe ni coûteuse. Nous avons mis en évidence une compétition entre les clones CUC1 et C6opérant dans des directions opposées sur des plantes avec et sans Vat. Nous faisons deux hypothèses sur l’origine de cette compétition observée qui peut être en relation soit avec la capacité de chacun des clones à se reproduire sur plantes sensibles et résistantes, avec une pénalité liée l’adaptation à la résistance de la plante plus forte pour CUC1 que pour C6, soit à des effets comportementaux. Pour trancher entre ces deux hypothèses, nous proposons de déterminer la nature de la compétition en quantifiant le taux intrinsèque de reproduction de chaque clone, CUC1 et C6, séparément dans les plantes sensibles et résistantes. Nos méthodes de base sont disponibles pour explorer l'effet de la dérive. Cependant pour aller plus loin dans l’étude de la dérive comme force évolutive, il faudra soit compter le nombre de pucerons dans chaque échantillon soit développer un modèle à partir des données que nous avons obtenues.
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dumas-02964115 , version 1 (09-11-2020)

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  • HAL Id : dumas-02964115 , version 1

Cite

Rafael Feriche Linares. Evolution forces involve in aphid populations Aphis gossypii on resistant melon plants. Populations and Evolution [q-bio.PE]. 2018. ⟨dumas-02964115⟩
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