Diversité génétique et fonctionnelle du NLRome/resistome chez le melon

Par Javier BELINCHON-MORENO, doctorant UR GAFL Avignon [Soutenance de thèse]

Soutenance de thèse le mercredi 17 décembre à 13h30, dans l’amphithéâtre Agrosciences, Avignon Université – Campus Jean-Henri Fabre.

Présentation des travaux réalisés dans le cadre de la thèse de Javier BELINCHON-MORENO intitulée « Diversité génétique et fonctionnelle du NLRome/resistome chez le melon », devant un jury composé de :
Mme. Camille Rustenholz, Directrice de Recherche, INRAE SVQV (Rapporteure)
Mr. François Sabot, Directeur de Recherche, IRD (Rapporteur)
Mr. Marc Oliver, PhD, Syngenta Seeds (Examinateur)
Mr. Michel Pitrat, Directeur de Recherche, INRAE GAFL (Examinateur)
Mme. Nathalie Boissot, Chargée de Recherche, INRAE GAFL (Directrice de thèse)
Mme. Patricia Faivre-Rampant, Chargée de Recherche, INRAE EPGV (Co-directrice de thèse)

La soutenance se déroulera en français (diapositives en anglais) et pourra être suivie en visio via le lien suivant : https://inrae-fr.zoom.us/j/4283006285?pwd=rbH2APbi6WlPrpYzYHryextSdL4EaX.1&omn=97296891013

Code secret : GAFL17dec!

La soutenance sera suivie d’un pot sur place.

Résumé :
Les gènes du type Nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) jouent un rôle central dans l’immunité des plantes. Ces NLR sont fréquemment organisés en clusters de gènes présentant de nombreuses variations du nombre de copies ainsi que des polymorphismes de présence–absence. Chez le melon (Cucumis melo) et plus largement au sein des Cucurbitacées, le nombre de NLRs est relativement faible comparé à d’autres espèces de taille génomique similaire, soulevant la question de la manière dont ces cultures font face à une pression pathogène élevée avec un répertoire aussi réduit. Cependant, la diversité intraspécifique des NLRs reste mal connue, du fait de la complexité structurelle de ces loci et des limites du séquençage à courtes lectures.

Nous avons utilisé la méthode du séquençage ciblé Nanopore Adaptive Sampling (NAS) pour enrichir les régions NLR (le « NLRome ») dans 143 accessions de melon couvrant une large diversité. Cette approche a permis une reconstruction précise des régions NLR et la construction d’un pan-NLRome, révélant une grande variabilité de l’architecture des clusters, des profils de présence–absence, et du contenu allélique des NLRs. Les courbes de saturation de la diversité allélique, encore non saturées, ont mis en évidence les limites des approches basées sur une seule référence. Selon nos estimations, près de la moitié de la diversité allélique des NLRs resterait à découvrir, même après l’analyse de 143 NLRomes.

En exploitant cet ensemble de données, nous avons mis en œuvre des études d’association génomique (GWAS) ciblant le NLRome, basées sur des k-mers ainsi que en utilisant un graphe du pan-NLRome. Appliquées à l’évaluation de la résistance à différents agents pathogènes, ces approches GWAS ont fourni une résolution supérieure à celle des GWAS classiques fondées sur les SNPs, permettant de localiser avec précision des gènes de résistance déjà connus et d’identifier de nouveaux candidats, y compris des gènes non-NLR situés dans des clusters NLR. La disponibilité de multiples assemblages du NLRome a aussi permis de discriminer les haplotypes résistants et sensibles au sein du panel de diversité.

Dans l’ensemble, nos résultats offrent une vision à haute résolution de la diversité des NLR chez le melon, révélant de multiples déterminants de résistance quantitative qui resteraient indétectables dans un paradigme à référence unique. Ces ressources ouvrent la voie à une dissection précise de l’architecture génétique de la résistance à de multiples bioagresseurs, tout en soutenant le déploiement stratégique des résistances identifiées dans les programmes d’amélioration variétale.

Abstract:
Nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) genes constitute one of the major families of plant resistance genes. NLRs are frequently organized in gene clusters showing extensive copy number variation and presence–absence polymorphisms. In melon (Cucumis melo) and Cucurbitaceae in general, the number of NLRs is relatively low compared to species with similar genome sizes, raising the question of how these crops withstand high pathogen pressure with such a reduced repertoire. However, the intraspecific NLR diversity remains poorly characterized, largely due to the difficulty of characterizing these complex loci using short-read sequencing.

We applied Nanopore Adaptive Sampling (NAS) to selectively enrich NLR regions (the NLRome) in 143 melon accessions representing broad diversity. NAS enabled the accurate reconstruction of targeted regions and the construction of a pan-NLRome, revealing extensive variation in cluster architecture, presence–absence patterns, and NLR allelic content. The obtention of unsaturated allelic diversity curves highlighted the limitations of single-reference analyses. Indeed, diversity estimation studies suggested that almost half of the existing NLR allelic diversity remained undiscovered after the assembly of 143 NLRomes.

Leveraging this dataset, we implemented NLRome-targeted k-mer and pan-NLRome graph-based genome-wide association studies (GWAS). These approaches achieved higher mapping resolution than classical SNP-based GWAS, pinpointing experimentally validated resistance genes with gene-level precision, and identifying novel NLR candidates, as well as non-NLR gene candidates positioned within NLR clusters. The availability of multiple NLRome assemblies further allowed haplotype-level discrimination of resistant and susceptible alleles.

Altogether, our results provide a high-resolution view of NLR diversity in melon, uncovering multiple determinants of quantitative resistance that would remain undetected in a single-reference paradigm. These resources and analytical frameworks open avenues for the precise dissection of the genetic architecture underlying resistance to multiple pests and pathogens, further supporting the strategic deployment of identified resistance in breeding programs.