In contrast to animals, plant defenses completely rely on the induction of innate immunity to fend off herbivores or pathogens. As a consequence, plants have evolved different immune strategies to protect themselves against external biotic stressors. While immunity to herbivorous insects and pathogens has received a great deal of attention in the past decades, other sectors of plant defense remain vastly overlooked. In particular, it was found that Arabidopsis thaliana plant react differently to caterpillars or eggs of the large white butterfly Pieris brassicae. Upon perception of egg-derived cues, the defense response share similar components and outputs with plant responses to pathogens, or pathogen-triggered immunity (PTI), and culminates in the induction of cell death in a process called hypersensitive-like response (HR-like). The induction of HR-like has been reported in different plant species from outside of Brassicaceae and results in decreased egg survival and/or increased egg parasitism. While the activation of this sophisticated defense mechanism can be effective at reducing egg load, the underlying molecular mechanisms are poorly understood. The aim of this thesis was to identify novel molecular components involved in the induction of cell death in response to insect eggs.
We first observe that sphingolipids, a class of lipids that are known to control cell death induction during immune responses in eukaryotes, play a key role in egg-induced responses. A subset of these lipids accumulate in response to eggs in two Brassicaceae species, and we confirm genetically that they are involved in the execution of cell death, indicating that sphingolipids act as downstream components during HR-like. In a second step, we make use of the existence of natural variation in HR-like responses among wild Arabidopsis accessions to better characterize the genetic structure of this trait. By performing a genome-wide association study (GWAS), a widely used technique which helps to dissect complex trait by looking for association between genetic polymorphisms and phenotypes, we identify two loci in the Arabidopsis genome that are associated with the severity of HR-like in response to eggs of P. brassicae. While demonstratng that LecRK-I.1 is involved specifically in the regulation of cell death, the role of the second locus is still unclear although it displays characteristics which are fully compatible with a potential role in cell death. Moreover, we provide evidence that these genes are under natural selection, indicating that they may be ecologically important.
Altogether, our result provide additional information on the identity of up- and downstream signaling components involved in the response to insect eggs. Identification of genomic regions important in the regulation of this trait provides an important resource for further research on the exact mechanisms regulating HR-like in plants. This knowledge may also prove useful in developing novel strategies to prevent egg-laying by insect pests.
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Contrairement aux animaux, les défenses des plantes reposent entièrement sur l’induction d’une immunité innée pour lutter contre les herbivores et les agents pathogènes. En conséquence, les plantes ont développé différentes stratégies immunitaires pour se protéger contre différents agresseurs. Alors que l'immunité contre les insectes herbivores et les pathogènes a fait l'objet de beaucoup d'attention au cours des dernières décennies, d'autres secteurs restent largement ignorés. En particulier, il a été constaté que la plante Arabidopsis thaliana réagit différemment aux chenilles qu’aux œufs de la piéride du chou Pieris brassicae. Lors de la perception de signaux dérivés des œufs, l’induction de mécanismes de défenses est très similaires à l’immunité déclenchée par les agents pathogènes, et aboutit à l’induction de la mort cellulaire dans un processus appelé réponse de type hypersensible (HR-like). L'induction de HR-like a été rapportée chez différentes plantes de la famille du chou (les Brassicacées) et entraîne une augmentation de la mortalité des œufs et/ou une augmentation du parasitisme des œufs. Bien que l'activation de ce mécanisme de défense sophistiqué puisse être efficace pour réduire la charge en œufs, les mécanismes moléculaires sous-jacents sont encore mal compris. Le but de cette thèse était d'identifier de nouveaux composants moléculaires impliqués dans l'induction de la mort cellulaire en réponse aux œufs d'insectes.
Nous observons dans un premier temps que les sphingolipides, une classe de lipides connue pour contrôler l’induction de la mort cellulaire durant les réponses immunitaires chez les eucaryotes, jouent un rôle clé dans les réponses induites par les œufs. Un sous- ensemble de ces lipides s'accumule en réponse aux œufs chez deux espèces de Brassicacées et nous confirmons génétiquement qu'ils sont impliqués dans l'exécution de la mort cellulaire, demonstrant que les sphingolipides agissent en tant que composants en aval de la signalisation lors d’une réaction HR-like. Dans un deuxième temps, nous nous servons de l’existence de variation génétique entre des accessions sauvages d’Arabidopsis afin de mieux caractériser la structure génétique de la HR-like induite par les œufs d’insectes. En réalisant une étude d'association pangénomique (GWAS), une technique désormais courante qui permet d’analyser la structure génétique d’un trait, nous identifions deux loci du génome d'Arabidopsis associés à la sévérité de la mort cellulaire en réponse aux œufs de P. brassicae. Nous démontrons que le récepteur immunitaire LecRK-I.1 est impliqué spécifiquement dans la régulation de la mort cellulaire, néanmoins le rôle du deuxième gène n’est toujours pas clair, bien qu’il présente des caractéristiques parfaitement compatibles avec un rôle potentiel dans la mort cellulaire. De plus, nous apportons la preuve que ces gènes sont sous sélection dans la nature, indiquant qu’ils peuvent avoir une importance du point de vue de l’écologie de la plante.
Globalement, nos résultats fournissent des informations supplémentaires sur l'identité des composants de signalisation en amont et en aval impliqués dans la réponse aux œufs d'insectes. L'identification des régions génomiques importantes dans la régulation de ce trait constitue une ressource importante pour la poursuite des recherches sur les mécanismes régulant la HR-like chez les plantes. Ces connaissances pourraient également s’avérer utiles pour élaborer de nouvelles stratégies visant à prévenir la ponte des œufs par les insectes nuisibles dans des plantes d’intérêt agronomique.