Recherches en génomique forestière et en protection des arbres contre les maladies et les insectes ravageurs Louis Bernier

Axe 1 Génétique, biologie moléculaire et physiologie Volet 1.1- Étude des génomes et transcriptomes (Bernier, Bousquet, Mackay, Tremblay) Volet 1.2- Physiologie et biologie moléculaire des arbres, plantes forestières et symbioses (Berninger, Desrochers, Khasa, Laliberté, Lapointe, Lechowicz, Margolis, Messier, Piché, Shipley, Tremblay) Volet 1.3- Micropropagation et embryogenèse somatique (Laliberté, Lapointe, Tremblay) Volet 1.4- Flux géniques et structures de populations des arbres, végétaux et leurs agents pathogènes et symbiotiques (Bernier, Bousquet, Dayanandan, Green, Khasa, Mackay, Piché) Volet 1.5- Moyens de lutte biologique contre les pathogènes et insectes ravageurs (Bauce, Bernier, Mauffette)

Volet 1.1 Étude des génomes et transcriptomes

Arborea: La génomique pour la sélection de variétés chez les épinettes (Genomics for molecular breeding in spruces) Institutions participantes Répartition de l'équipe (plus de 50 personnes!) Institutions Participants Université Laval Co-dir : J. Bousquet, J. MacKay P. Rigault, N. Gélinas, R. Beauregard Gestionnaire de projets P. Poulin Service canadien des forêts (RNCan) N. Isabel, A. Séguin, J. Beaulieu Agriculture et Agroalimentaire Canada A. Bertrand, Y. Castonguay Min. des Ressources Naturelles M. Perron et de la Faune (Québec) University of Alberta J. Cooke PAPRICAN L. Wallbacks University of Georgia J. Dean Projet financé par… Stratégie canadienne de la biotechnologie Près de 15% de l’équipe est située en Alberta!

Objectifs du projet Arborea Mettre en évidence le contrôle génétique sous-jacent à l’aoûtement des bourgeons (indicateur de l’adaptation et de la croissance) et aux caractéristiques du bois Intégrer différentes approches expérimentales de la génomique pour établir des liens entre les gènes (génotypes) et ces caractères complexes Connaissance du génome Inventaire des gènes actifs chez l’épinette: plus de 15,000 identifiés Répertoire des variations dans l’ADN des gènes: des milliers de gènes ciblés Caractérisations fonctionnelles: gènes régulateurs, protéines de réserve, métabolisme de l’arginine Ressources et méthodes développées pour l’analyse des épinettes Biopuces à ADN: profils de l’expression, environ 10, 000 gènes à la fois Méthodes pour déterminer le génotype sur des centaines de gènes en parallèle Base de données des gènes, leur fonction et variations: www.ForestTreeDB.org ( avec U. of Minnesota) L’aoûtement des bourgeons – Génotype vs phénotype Approches expérimentales: Étude d’association ( population d’arbres non-apparentées) et cartographie génétique (familles obtenues de croisements). Jeunes arbres répliqués. Comparaison de conditions naturelles et artificielles Analyse fine de la morphologie, du métabolisme et expression des gènes pendant l’aoutement Caractéristiques du bois - Génotype vs phénotype Approches expérimentales: Étude d’association. Test de descendances de 200 familles sur 3 sites. Densité et rigidité du bois, angle des microfibrils de la cellulose, contenu en lignine, celllulose, composés extractibles

Aoûtement des bourgeons Photopériode naturelle Changements brusques de la photopériode (1) Sous serres Valcartier, Quebec (1) Outdoor Valcartier, Quebec (2) Chambre de croissance AAFC, Québec (3) Chambre de croissance U. Alberta, Edmonton Études d’association et cartographie de QTL, génotypage Expression génique, Biopuces

Arborea II: La génomique pour la sélection de variétés chez les épinettes (Genomics for molecular breeding in spruces) Découverte de marqueurs de gènes indicatifs de l’adaptation de la productivité à partir d’approches intégrant la génomique fonctionnelle et associative

Volet 1.4 Flux géniques et structures de populations

N. Isabel, P. Meirmans, M. Lamothe, P. Talbot, G. Guigou, P. Périnet, D. Khasa, J. Bousquet Vers une meilleure évaluation des risques environnementaux liés à la dispersion de nouveaux gènes dans l’environnement

Problématique Approche Inquiétudes soulevées par le manque de données sur les impacts environnementaux potentiels suivant le déploiement d’espèces exotiques ou d’OGMs. Chez les arbres: risque de contamination génomique des espèces indigènes par les espèces exotiques ou les gènes introduits via le flux génique par le pollen. Approche Déterminer une alternative pour mesurer le flux génique potentiel entre les AGMs et les espèces indigènes, sans le recours aux plantations d’AGMs sexuellement matures. Estimer le flux génique depuis les plantations matures d’espèces exotiques vers les espèces voisines indigènes situées en périphérie, à l’aide de marqueurs moléculaires.

Résultats Les taux d‘introgression observés diffèrent dépendamment de l’espèce "receveuse" et entre les sites. Par contre, ils sont peu variables dans le temps. Les sites forestiers sont faiblement affectés; les arbres isolés en paysage agricole plus affectés. Quand Populus balsamifera est l’espèce "receveuse", la majorité des hybrides correspondent à des croisements naturels entre P. balsamifera et P. deltoides. L’ampleur des taux d‘introgression spontanée trouvés pourrait affecter à très long terme la constitution génétique des populations locales des espèces indigènes sous la condition que les hybrides fortuits soient plus adaptés que les arbres indigènes. Les données obtenues pour P. balsamifera et P. deltoides seront intégrées dans un modèle de prédiction. Khasa, D.P., P. Pollefeys, A. Navarro-Quezada, P. Périnet and J. Bousquet. 2005. Molecular Ecology Notes 5: 920-923. Hamzeh, M., P. Périnet et S. Dayanandan. 2006. J. of the Torrey Botanical Society 133 : 519-527. Meirmans, P.G., M. Lamothe and N. Isabel, 2007.). Submitted

Atlas phylogéographique des conifères du Canada J. Bousquet, J. Beaulieu, J.P. Jaramillo-Correa, J. Godbout, S. Gerardi, B. Cinget, M. Deslauriers, S. Senneville Atlas phylogéographique des conifères du Canada

Problématique Approche La phylogéographie s’intéresse à la distribution géographique des lignées ancestrales au sein d’une espèce. Ces différentes lignées sont engendrées par des évènements historiques majeurs tels les grandes glaciations du Quaternaire. Les connaissances sur la diversité génétique d’ordre géographique de ces espèces s’avèrent indispensables pour la conservation appropriée des ressources génétiques. L’objectif du projet est donc de constituer un atlas phylogéographique des conifères à large distribution canadienne. Approche Chez la plupart des conifères, l’ADN mitochondrial est transmis maternellement par les graines uniquement, et non par le pollen comme pour l’ADN du noyau. Parce que les graines sont dispersées sur de plus courtes distances que le pollen, les structures géographiques représentatives des lignées ancestrales sont donc plus faciles à détecter dans l’ADN mitochondrial. D’où l’emphase sur la recherche et la découverte de polymorphismes spécifiques au génome mitochondrial.

Résultats La structure phylogéographique a été déterminée pour quelques conifères à vaste distribution: pin gris, épinette noire, pin tordu dans l’Ouest canadien. Le nombre de lignées ancestrales et leur étendue géographique ont pu être déterminés. Ces résultats ont permis d’identifier des refuges glaciaires distincts près des côtes et au sud. L’inlandsis mais aussi les chaînes de montagnes comme les Rocheuses, les Cascades et les Appalaches ont permis l’isolement et la différenciation génétique des refuges. Les voies de recolonisation postglaciaire et les zones de rencontre des fronts de migration ne correspondent pas toujours d’une espèce à l’autre. Ainsi, pour le pin gris, le centre du Québec constitue une zone de rencontre génétiquement hétérogène alors que pour l’épinette noire, c’est la vallée du St-Laurent qui constitue une telle zone. D’autres espèces comme l’épinette blanche, le sapin baumier, le mélèze laricin, le pin blanc, la pruche et l’if sont présentement considérées. Publications: dans Molecular Ecology. Voir affiche # 29 (Godbout et al.)

Volet 1.5 Raffiner les moyens de lutte contre les champignons pathogènes et les insectes ravageurs, en utilisant des approches moléculaires et physiologiques.

Équipe Yves Mauffette Écophysiologie des essences feuillues détermination de l'allocation du carbone, de la photosynthèse, des concentrations de produits toxiques et nutritifs du feuillage en fonction d'insectes phytophages. Dynamique de populations d'insectes défoliateurs présents dans les écosystèmes forestiers et leurs effets sur les plantes hôtes.

Équipe Éric Bauce Développement d’un outil de prévention (sylvicole) pour accroître la résistance Sélection de plants à résistance naturelle multiple et élucidation des mécanismes physiologiques et biochimiques en cause Adaptation locale des populations de ravageurs Biologie hivernale des insectes forestiers dans un contexte de changements climatiques

Équipe Louis Bernier Diversité des espèces et dynamique des populations de champignons pathogènes (1.4) Étude des interactions arbre-pathogène (1.1) Développement d’agents de lutte biologique

Diversité des champignons pathogènes Champignons ophiostomatoïdes (bleuissement) Espèces associées aux scolytes de l’écorce (M.-È. Beaulieu) Génétique des populations (P. Gagné, C. Morin) Affiche #5 Collaborateurs: C. Breuil (UBC), RC Hamelin (SCF), GR Stanosz (UWisc)

Pourquoi étudier la diversité des champignons pathogènes ? Associer la bonne espèce fongique à la bonne maladie Complexes d’espèces apparentées: pathogènes vs saprophytes indigènes vs exotiques (quarantaine) Évaluer le degré de variabilité génétique au sein des espèces Plasticité des espèces pathogènes Reproduction sexuée vs asexuée Espèce indigène vs exotique Identifier les sources de variabilité (localité, hôte…) Populations panmictiques vs fragmentées; biotypes Guider les améliorateurs dans le choix des isolats fongiques à utiliser lors des tests de résistance (par ex., PEH au Québec)

Étude des interactions arbre-pathogène Chancre septorien Bases physiologiques et moléculaires de la pathogénécité chez le S. musiva (V. Jacobi) Maladie hollandaise de l’orme (MHO) Pathogénomique (M. Aoun, K. Plourde, J. Dufour, V. Jacobi) Caractérisation des transposons chez les Ophiostoma (G. Bouvet) Collaborateurs: CM Brasier (UK), WE Hintz (UVic), N Feau (SCF),MJ Mottet (MRNF)

Pourquoi étudier les interactions hôte-pathogène? Identifier les facteurs de pathogénécité et de fitness Modulation Évolution Cibles potentielles pour lutte contre les pathogènes Identifier des gènes de résistance susceptibles d’être sélectionnés ou manipulés chez l’hôte Accélérer la sélection de matériel résistant par les améliorateurs

Travaux en cours sur la MHO Ophiostoma novo-ulmi Mycélium MRNF Cellules levuriformes Hylurgopinus rufipes Scolytus multistriatus

Inoculation de gaules d’orme Inoculation de cals d’orme

Identification de gènes individuels modulant la pathogénécité chez Ophiostoma novo-ulmi 1. AST27: mutant naturel 20 40 60 80 H327 + M78 - 2. M78: mutant induit in vitro Pathogénécité (% défoliaison) Plourde et al. Données non publiées Gène Pat2 Affiche #58 a b Dist Marker cM Name OPA18-620 24.4 OPJ10-1970 38.3 OPE1-2436 24.3 OPC8-958 14.3 OPC8-929 15.7 OPE18-825 3.2 cDNA10 14.7 OPC2-845 12.6 OPE7-585 7.7 OPC18-870 6.6 OPP6-730 2.6 OPE18-567 6.9 OPA4-1018 11.1 OPA18-2673 11.5 OPA15-498 OPE1-946 OPJ9-1483 13.6 OPK4-2036 4.9 OPC15-735 5.1 OPJ20-1018 5.5 OPK14-940 6.8 OPA7-878 20.1 OPC11-645 27.1 OPE19-2414 7.6 OPQ5-1298 5.6 OPQ5-1340 OPJ15-1503 10.1 OPE18-916 17.6 OPK4-917 20.7 OPE7-382 10.4 OPQ2-1198 9.4 OPC16-2813 20.4 OPC16-1814 13.3 OPE1-2103 OPJ18-412 25.9 OPK3-1050 33.0 OPC18-795 38.5 OPJ20-635 33.7 OPE7-2557 Chromosome II (3.8 Mb) • 80 H327 + AST27 - a 60 40 Pathogénécité (% défoliaison) b 20 Gène Pat1 Et-Touil et al. 1999

Identification à grande échelle de gènes modulant l’interaction entre l’orme et O. novo-ulmi Mycélium Cellulesd’orme Extraction des ARN messagers et analyse des gènes exprimés 72 h après l’inoculation d’O. novo-ulmi Aoun et al. Données non publiées

Gènes exprimés lors de l’interaction orme - O. novo-ulmi 543 Étiquettes (EST) représentant 314 gènes différents 61 3 479 Gènes fongiques Peu de gènes candidats pour pathogénécité Gènes de plante Orphelins Aoun et al. Données non publiées

Analyse de l’expression génique Comparaison de macroarrays (96 gènes/membrane) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 nc/pc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 nc/pc A B C D E F G H A B C D E F G H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 nc/pc A: Expression chez cals infectés B: Expression chez cals sains ~30% des gènes sont surexprimés en présence du pathogène Plusieurs dizaines de ces gènes sont homologues à des gènes de résistance (R) connus chez d’autres plantes L’orme d’Amérique, bien que très sensible à la MHO, possède des gènes R qui pourraient guider les améliorateurs

Lutte biologique contre le bleuissement de l’aubier Obtention d’une souche de Ceratocystis resinifera albinos (Kasper) Inoculation de Kasper pour contrer souches sauvages pigmentées pks1 Souche sauvage Kasper (C. Morin) (mutant spontané) Dispositifs en Colombie-Britannique (2002) et au Québec (2003, 2004)

Et ça fonctionne ? C. resinifera sauvage % Bleuissement Colombie-Britannique 2002 20 40 60 80 100 C. resinifera sauvage Témoin Kasper 1 2 3 4 5 6 % Bleuissement Disque C. resinifera sauvage Morin et al. 2006 Phytopathology 96:526-533. Collaborateurs: C Breuil (SCF), DQ Yang (Forintek) Tanguay et al. 2006 Can.J. Microbiol. 52:501-507.

En guise de conclusion La génomique, un outil puissant pour : Étudier le génome individuel ou cribler des populations entières Établir les liens entre des gènes et des caractères souvent complexes Étudier différents types d’organismes Accélérer le processus d’amélioration génétique traditionnelle La lutte biologique en foresterie, bien plus que le BT ! De nombreux microorganismes présentent un potentiel intéressant Écueils à surmonter: application à grande échelle, homologation, commercialisation.