Apport de la génomique à l'exploration de la diversité génétique des vanilliers cultivés et à l'identification des régions impliquées dans la résistance à la fusariose

Cultivated for its aromatic beans, vanilla is an orchid that plays an important economic role in the southwestern Indian Ocean region. Like many other tropical species introduced outsidetheir native area, the most cultivated species Vanilla planifolia G. Jackson has a narrow genetic base. Vanilla cultivation is limited by numerous diseases, including the root and stem rot disease caused by the soil fungus Fusarium oxysporum f. sp. radicis-vanillae (Forv). Chemical and prophylactic control methods have been unsuccessfully used and the study of resistance sources found in the natural diversity of the Vanilla genus seems to be the best strategy for a sustainable management of the disease. Genetic studies in many crop species have been facilitated by the new generation sequencing technologies and the development of high-throughput molecular markers. Genotyping by sequencing (GBS) is a cost-effective method to discover a large number of single nucleotide polymorphism (SNP) molecular markers, in several individuals simultaneously, in species with a complex genome such as vanilla. GBS was applied in this study to the two cultivated species V. planifolia and Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 closely related species and 19 interspecific hybrids. Based on 2,004 SNPs, the relationships between the different species were refined. The hybrid origin of V. × tahitensis, from Vanilla odorata C. Presl and a species genetically close to Vanilla sotoarenasii M. Pignal, was clarified by studying the genetic structure. A higherheterozygosity level was observed in the cultivated V. planifolia accessions compared to thewild species, suggesting a "single-step domestication” in accordance with their recentintroduction and their clonal multiplication mode. Greater genetic diversity was observed inindividuals derived from crosses, such as in individuals from the population obtained by self-fertilization of the traditional cultivar CR0040. GBS analysis of 125 individuals from thispopulation segregating for Forv resistance identified 1,804 SNPs used for the construction ofthe first high-density genetic map in V. planifolia. The markers were ordered into 16 linkagegroups, in accordance with the 16 chromosomes detected by previous cytogenetic studies.Their alignment against the 14 assembled chromosomes of the sequenced CR0040 genome suggested the assembly of 3 linkage groups on chromosome 1. Population resistance to the highly pathogenic strain Fo072 was assessed by an in vitro method. The 20 quantitative traitloci (QTLs) located on the genetic map explained, for each of the traits studied, from 23 to 66% of the total phenotypic variability, confirming the polygenic resistance to Forv. Genetic regions associated with resistance QTLs were investigated in the CR0040 genome annotation. These gene-rich chromosome regions included candidate genes potentially involved in bioticresistance mechanisms and encoding kinases, E3 ubiquitin ligases and pentatricopeptiderepeat-containing proteins. Bioinformatics analysis of the sequencing data, focusing on thestudy of resistance gene analogs that have conserved domains and motifs, such as leucin-richrepeat (LRR) motif, indicated a low representation of this gene family in V. planifolia. A gene encoding a LRR receptor-like protein was found in a region underlying a QTL and appeared to be a key candidate for resistance to Forv. Obtaining crops with high level of disease resistance is a major challenge for breeders and these results should contribute to a better understanding of the molecular mechanisms induced in response to infection by F. oxysporum f. sp. radicis, that cause severe losses in other economically important species.Cultivé pour ses fruits aromatiques, le vanillier est une orchidée d’importance économique majeure dans la région Sud-Ouest de l’océan Indien. Comme beaucoup d’autres espèces tropicales introduites hors de leur aire d’origine, l’espèce cultivée Vanilla planifolia G. Jackson possède une base génétique restreinte, la rendant vulnérable aux maladies. La pourriture des racines et des tiges, causée par le champignon Fusarium oxysporum f.sp. radicis-vanillae (Forv), est une maladie majeure chez les vanilliers. Les méthodes de lutte chimique et prophylactiques se sont montrées inefficaces et l’utilisation de sources de résistance présentes dans la diversité naturelle du genre Vanilla apparaît comme la meilleure stratégie pour une gestion durable de la maladie. Les études génétiques chez les plantes ont été facilitées par les nouvelles technologies de séquençage et le développement de marqueurs moléculaires haut-débit. Le génotypage par séquençage (GBS) permet de générer rapidement un grand nombre de marqueurs moléculaires de type single nucleotide polymorphism (SNP) simultanément chez plusieurs individus avec des génomes complexes, comme celui du vanillier. La méthode GBS a été appliquée dans cette étude chez les deux espèces cultivées V. planifolia et Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 espèces proches et 19 hybrides interspécifiques. Les 2004 SNPs identifiés ont permis d’affiner les relations de parenté entre les espèces. L’origine hybride de V. × tahitensis, entre Vanilla odorata C. Presl et une espèce proche de Vanilla sotoarenasii M. Pignal, a pu être précisée par l’étude de la structure génétique. Un taux d’hétérozygotie plus élevé a été observé chez les V. planifolia cultivées comparées aux espèces sauvages, suggérant une domestication « single step » en accord avec leur introduction récente et leur mode de multiplication clonale. Une plus grande diversité génétique a été observée chez les individus issus de croisements, comme la population obtenue par l’autofécondation du cultivar traditionnel CR0040. L’analyse GBS des 125 individus de cette population en ségrégation pour la résistance à Forv a permis de construire à l’aide de 1804 SNPs la première carte génétique haute-densité chez V. planifolia. Les marqueurs se regroupent en 16 groupes de liaison, conformément aux 16 chromosomes identifiés par cytogénétique. Leur alignement sur les 14 chromosomes du génome de CR0040 séquencé suggère l’assemblage de 3 groupes de liaison sur le chromosome 1. La résistance de la population à la souche hautement pathogène Fo072 a été évaluée par méthode in vitro. Les 20 quantitative trait loci (QTLs) localisés sur la carte génétique expliquent, pour chacun des caractères étudiés, entre 23 et 66 % de la variabilité phénotypique totale, montrant le caractère polygénique de la résistance à Forv. Les régions génétiques associées aux QTLs de résistance ont été recherchées dans le génome de CR0040. Ces régions sont riches en gènes, dont des gènes candidats potentiellement impliqués dans des mécanismes de résistance biotiques, codant pour des kinases, des ubiquitines ligases E3 et des protéines à motifs pentatricopeptide repeat. L’analyse bio-informatique des données de séquençage, en ciblant l’étude sur les analogues de gènes de résistance qui présentent des domaines et des motifs conservés, comme le domaine leucin-rich repeat (LRR), a révélé une faible représentation de cette famille de gènes chez V. planifolia. Un gène codant une protéine LRR receptor-like se retrouve dans une région sous-jacente à un QTL et apparaît comme un candidat clé pour la résistance à Forv. L’étude de la diversité génétique et des facteurs impliqués dans la résistance à Forv appuie les programmes d’amélioration variétale et permet de mettre en évidence des mécanismes moléculaires mis en place en réponse à l’infection par des F. oxysporum de forme radicis, responsables de maladies majeures chez d’autres espèces d’importance économique

Apport de la génomique à l'exploration de la diversité génétique des vanilliers cultivés et à l'identification des régions impliquées dans la résistance à la fusariose

Cultivated for its aromatic beans, vanilla is an orchid that plays an important economic role in the southwestern Indian Ocean region. Like many other tropical species introduced outsidetheir native area, the most cultivated species Vanilla planifolia G. Jackson has a narrow genetic base. Vanilla cultivation is limited by numerous diseases, including the root and stem rot disease caused by the soil fungus Fusarium oxysporum f. sp. radicis-vanillae (Forv). Chemical and prophylactic control methods have been unsuccessfully used and the study of resistance sources found in the natural diversity of the Vanilla genus seems to be the best strategy for a sustainable management of the disease. Genetic studies in many crop species have been facilitated by the new generation sequencing technologies and the development of high-throughput molecular markers. Genotyping by sequencing (GBS) is a cost-effective method to discover a large number of single nucleotide polymorphism (SNP) molecular markers, in several individuals simultaneously, in species with a complex genome such as vanilla. GBS was applied in this study to the two cultivated species V. planifolia and Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 closely related species and 19 interspecific hybrids. Based on 2,004 SNPs, the relationships between the different species were refined. The hybrid origin of V. × tahitensis, from Vanilla odorata C. Presl and a species genetically close to Vanilla sotoarenasii M. Pignal, was clarified by studying the genetic structure. A higherheterozygosity level was observed in the cultivated V. planifolia accessions compared to thewild species, suggesting a "single-step domestication” in accordance with their recentintroduction and their clonal multiplication mode. Greater genetic diversity was observed inindividuals derived from crosses, such as in individuals from the population obtained by self-fertilization of the traditional cultivar CR0040. GBS analysis of 125 individuals from thispopulation segregating for Forv resistance identified 1,804 SNPs used for the construction ofthe first high-density genetic map in V. planifolia. The markers were ordered into 16 linkagegroups, in accordance with the 16 chromosomes detected by previous cytogenetic studies.Their alignment against the 14 assembled chromosomes of the sequenced CR0040 genome suggested the assembly of 3 linkage groups on chromosome 1. Population resistance to the highly pathogenic strain Fo072 was assessed by an in vitro method. The 20 quantitative traitloci (QTLs) located on the genetic map explained, for each of the traits studied, from 23 to 66% of the total phenotypic variability, confirming the polygenic resistance to Forv. Genetic regions associated with resistance QTLs were investigated in the CR0040 genome annotation. These gene-rich chromosome regions included candidate genes potentially involved in bioticresistance mechanisms and encoding kinases, E3 ubiquitin ligases and pentatricopeptiderepeat-containing proteins. Bioinformatics analysis of the sequencing data, focusing on thestudy of resistance gene analogs that have conserved domains and motifs, such as leucin-richrepeat (LRR) motif, indicated a low representation of this gene family in V. planifolia. A gene encoding a LRR receptor-like protein was found in a region underlying a QTL and appeared to be a key candidate for resistance to Forv. Obtaining crops with high level of disease resistance is a major challenge for breeders and these results should contribute to a better understanding of the molecular mechanisms induced in response to infection by F. oxysporum f. sp. radicis, that cause severe losses in other economically important species.Cultivé pour ses fruits aromatiques, le vanillier est une orchidée d’importance économique majeure dans la région Sud-Ouest de l’océan Indien. Comme beaucoup d’autres espèces tropicales introduites hors de leur aire d’origine, l’espèce cultivée Vanilla planifolia G. Jackson possède une base génétique restreinte, la rendant vulnérable aux maladies. La pourriture des racines et des tiges, causée par le champignon Fusarium oxysporum f.sp. radicis-vanillae (Forv), est une maladie majeure chez les vanilliers. Les méthodes de lutte chimique et prophylactiques se sont montrées inefficaces et l’utilisation de sources de résistance présentes dans la diversité naturelle du genre Vanilla apparaît comme la meilleure stratégie pour une gestion durable de la maladie. Les études génétiques chez les plantes ont été facilitées par les nouvelles technologies de séquençage et le développement de marqueurs moléculaires haut-débit. Le génotypage par séquençage (GBS) permet de générer rapidement un grand nombre de marqueurs moléculaires de type single nucleotide polymorphism (SNP) simultanément chez plusieurs individus avec des génomes complexes, comme celui du vanillier. La méthode GBS a été appliquée dans cette étude chez les deux espèces cultivées V. planifolia et Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 espèces proches et 19 hybrides interspécifiques. Les 2004 SNPs identifiés ont permis d’affiner les relations de parenté entre les espèces. L’origine hybride de V. × tahitensis, entre Vanilla odorata C. Presl et une espèce proche de Vanilla sotoarenasii M. Pignal, a pu être précisée par l’étude de la structure génétique. Un taux d’hétérozygotie plus élevé a été observé chez les V. planifolia cultivées comparées aux espèces sauvages, suggérant une domestication « single step » en accord avec leur introduction récente et leur mode de multiplication clonale. Une plus grande diversité génétique a été observée chez les individus issus de croisements, comme la population obtenue par l’autofécondation du cultivar traditionnel CR0040. L’analyse GBS des 125 individus de cette population en ségrégation pour la résistance à Forv a permis de construire à l’aide de 1804 SNPs la première carte génétique haute-densité chez V. planifolia. Les marqueurs se regroupent en 16 groupes de liaison, conformément aux 16 chromosomes identifiés par cytogénétique. Leur alignement sur les 14 chromosomes du génome de CR0040 séquencé suggère l’assemblage de 3 groupes de liaison sur le chromosome 1. La résistance de la population à la souche hautement pathogène Fo072 a été évaluée par méthode in vitro. Les 20 quantitative trait loci (QTLs) localisés sur la carte génétique expliquent, pour chacun des caractères étudiés, entre 23 et 66 % de la variabilité phénotypique totale, montrant le caractère polygénique de la résistance à Forv. Les régions génétiques associées aux QTLs de résistance ont été recherchées dans le génome de CR0040. Ces régions sont riches en gènes, dont des gènes candidats potentiellement impliqués dans des mécanismes de résistance biotiques, codant pour des kinases, des ubiquitines ligases E3 et des protéines à motifs pentatricopeptide repeat. L’analyse bio-informatique des données de séquençage, en ciblant l’étude sur les analogues de gènes de résistance qui présentent des domaines et des motifs conservés, comme le domaine leucin-rich repeat (LRR), a révélé une faible représentation de cette famille de gènes chez V. planifolia. Un gène codant une protéine LRR receptor-like se retrouve dans une région sous-jacente à un QTL et apparaît comme un candidat clé pour la résistance à Forv. L’étude de la diversité génétique et des facteurs impliqués dans la résistance à Forv appuie les programmes d’amélioration variétale et permet de mettre en évidence des mécanismes moléculaires mis en place en réponse à l’infection par des F. oxysporum de forme radicis, responsables de maladies majeures chez d’autres espèces d’importance économique

Apport de la génomique à l'exploration de la diversité génétique des vanilliers cultivés et à l'identification des régions impliquées dans la résistance à la fusariose

Cultivated for its aromatic beans, vanilla is an orchid that plays an important economic role in the southwestern Indian Ocean region. Like many other tropical species introduced outsidetheir native area, the most cultivated species Vanilla planifolia G. Jackson has a narrow genetic base. Vanilla cultivation is limited by numerous diseases, including the root and stem rot disease caused by the soil fungus Fusarium oxysporum f. sp. radicis-vanillae (Forv). Chemical and prophylactic control methods have been unsuccessfully used and the study of resistance sources found in the natural diversity of the Vanilla genus seems to be the best strategy for a sustainable management of the disease. Genetic studies in many crop species have been facilitated by the new generation sequencing technologies and the development of high-throughput molecular markers. Genotyping by sequencing (GBS) is a cost-effective method to discover a large number of single nucleotide polymorphism (SNP) molecular markers, in several individuals simultaneously, in species with a complex genome such as vanilla. GBS was applied in this study to the two cultivated species V. planifolia and Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 closely related species and 19 interspecific hybrids. Based on 2,004 SNPs, the relationships between the different species were refined. The hybrid origin of V. × tahitensis, from Vanilla odorata C. Presl and a species genetically close to Vanilla sotoarenasii M. Pignal, was clarified by studying the genetic structure. A higherheterozygosity level was observed in the cultivated V. planifolia accessions compared to thewild species, suggesting a "single-step domestication” in accordance with their recentintroduction and their clonal multiplication mode. Greater genetic diversity was observed inindividuals derived from crosses, such as in individuals from the population obtained by self-fertilization of the traditional cultivar CR0040. GBS analysis of 125 individuals from thispopulation segregating for Forv resistance identified 1,804 SNPs used for the construction ofthe first high-density genetic map in V. planifolia. The markers were ordered into 16 linkagegroups, in accordance with the 16 chromosomes detected by previous cytogenetic studies.Their alignment against the 14 assembled chromosomes of the sequenced CR0040 genome suggested the assembly of 3 linkage groups on chromosome 1. Population resistance to the highly pathogenic strain Fo072 was assessed by an in vitro method. The 20 quantitative traitloci (QTLs) located on the genetic map explained, for each of the traits studied, from 23 to 66% of the total phenotypic variability, confirming the polygenic resistance to Forv. Genetic regions associated with resistance QTLs were investigated in the CR0040 genome annotation. These gene-rich chromosome regions included candidate genes potentially involved in bioticresistance mechanisms and encoding kinases, E3 ubiquitin ligases and pentatricopeptiderepeat-containing proteins. Bioinformatics analysis of the sequencing data, focusing on thestudy of resistance gene analogs that have conserved domains and motifs, such as leucin-richrepeat (LRR) motif, indicated a low representation of this gene family in V. planifolia. A gene encoding a LRR receptor-like protein was found in a region underlying a QTL and appeared to be a key candidate for resistance to Forv. Obtaining crops with high level of disease resistance is a major challenge for breeders and these results should contribute to a better understanding of the molecular mechanisms induced in response to infection by F. oxysporum f. sp. radicis, that cause severe losses in other economically important species.Cultivé pour ses fruits aromatiques, le vanillier est une orchidée d’importance économique majeure dans la région Sud-Ouest de l’océan Indien. Comme beaucoup d’autres espèces tropicales introduites hors de leur aire d’origine, l’espèce cultivée Vanilla planifolia G. Jackson possède une base génétique restreinte, la rendant vulnérable aux maladies. La pourriture des racines et des tiges, causée par le champignon Fusarium oxysporum f.sp. radicis-vanillae (Forv), est une maladie majeure chez les vanilliers. Les méthodes de lutte chimique et prophylactiques se sont montrées inefficaces et l’utilisation de sources de résistance présentes dans la diversité naturelle du genre Vanilla apparaît comme la meilleure stratégie pour une gestion durable de la maladie. Les études génétiques chez les plantes ont été facilitées par les nouvelles technologies de séquençage et le développement de marqueurs moléculaires haut-débit. Le génotypage par séquençage (GBS) permet de générer rapidement un grand nombre de marqueurs moléculaires de type single nucleotide polymorphism (SNP) simultanément chez plusieurs individus avec des génomes complexes, comme celui du vanillier. La méthode GBS a été appliquée dans cette étude chez les deux espèces cultivées V. planifolia et Vanilla × tahitensis J.W. Moore, 7 espèces proches et 19 hybrides interspécifiques. Les 2004 SNPs identifiés ont permis d’affiner les relations de parenté entre les espèces. L’origine hybride de V. × tahitensis, entre Vanilla odorata C. Presl et une espèce proche de Vanilla sotoarenasii M. Pignal, a pu être précisée par l’étude de la structure génétique. Un taux d’hétérozygotie plus élevé a été observé chez les V. planifolia cultivées comparées aux espèces sauvages, suggérant une domestication « single step » en accord avec leur introduction récente et leur mode de multiplication clonale. Une plus grande diversité génétique a été observée chez les individus issus de croisements, comme la population obtenue par l’autofécondation du cultivar traditionnel CR0040. L’analyse GBS des 125 individus de cette population en ségrégation pour la résistance à Forv a permis de construire à l’aide de 1804 SNPs la première carte génétique haute-densité chez V. planifolia. Les marqueurs se regroupent en 16 groupes de liaison, conformément aux 16 chromosomes identifiés par cytogénétique. Leur alignement sur les 14 chromosomes du génome de CR0040 séquencé suggère l’assemblage de 3 groupes de liaison sur le chromosome 1. La résistance de la population à la souche hautement pathogène Fo072 a été évaluée par méthode in vitro. Les 20 quantitative trait loci (QTLs) localisés sur la carte génétique expliquent, pour chacun des caractères étudiés, entre 23 et 66 % de la variabilité phénotypique totale, montrant le caractère polygénique de la résistance à Forv. Les régions génétiques associées aux QTLs de résistance ont été recherchées dans le génome de CR0040. Ces régions sont riches en gènes, dont des gènes candidats potentiellement impliqués dans des mécanismes de résistance biotiques, codant pour des kinases, des ubiquitines ligases E3 et des protéines à motifs pentatricopeptide repeat. L’analyse bio-informatique des données de séquençage, en ciblant l’étude sur les analogues de gènes de résistance qui présentent des domaines et des motifs conservés, comme le domaine leucin-rich repeat (LRR), a révélé une faible représentation de cette famille de gènes chez V. planifolia. Un gène codant une protéine LRR receptor-like se retrouve dans une région sous-jacente à un QTL et apparaît comme un candidat clé pour la résistance à Forv. L’étude de la diversité génétique et des facteurs impliqués dans la résistance à Forv appuie les programmes d’amélioration variétale et permet de mettre en évidence des mécanismes moléculaires mis en place en réponse à l’infection par des F. oxysporum de forme radicis, responsables de maladies majeures chez d’autres espèces d’importance économique

Identification and annotation of resistance gene analogs in Vanilla planifolia: the complex Leurin Rich Repeat (LRR)-containing receptor family

International audienc

Identification and annotation of resistance gene analogs in Vanilla planifolia: the complex Leurin Rich Repeat (LRR)-containing receptor family

International audienc

First Vanilla planifolia high-density genetic linkage map provides quantitative trait loci for resistance to Fusarium oxysporum

Fusarium oxysporum f. sp radicis-vanillae (Forv), the causal agent of Root and Stem Rot disease, is the main pathogen affecting vanilla production. Sources of resistance have been reported in Vanilla planifolia G. Jackson ex Andrews, the main cultivated vanilla species. Here we developed the first high-density genetic map in this species with 1,804 GBS-generated single nucleotide polymorphism (SNP) markers using 125 selfed progenies of the CR0040 traditional vanilla cultivar. Sixteen linkage groups (LG) were successfully constructed, with a mean of 113 SNPs and an average length of 207 cM per LG. The map had a high density with an average of 5.45 SNP every 10 cM and an average distance of 1.85 cM between adjacent markers. The first 3 LG were aligned against the first assembled chromosome of CR0040 and the other 13 LG were correctly associated with the other 13 assembled chromosomes. The population was challenged with the highly pathogenic Forv strain Fo072 using the root-dip inoculation method. Five traits were mapped and 20 QTLs were associated with resistance to Fo072. Among genes retrieved in the CR0040 physical regions associated with QTLs, genes potentially involved in biotic resistance mechanisms have been highlighted, coding for kinases, E3 ubiquitin ligases, pentatricopeptide repeat-containing proteins, and one leucine-rich repeat receptor underlying the qFo72\₀8.1 QTL. This study should provide useful resources for marker-assisted selection in V. planifolia

A genome-wide assessment of the genetic diversity, evolution and relationships with allied species of the clonally propagated crop Vanilla planifolia Jacks. ex Andrews

International audienceThe Vanilla genus is a complex taxonomic group characterized by a vegetative reproduction mode combined with intra- and inter-specific hybridizations, and polyploidy events. These factors strongly impact the diversification of the genus and complicate the delimitation of taxa. Among the hundred Vanilla species, Vanilla planifolia Jacks. ex Andrews and Vanilla × tahitensis J. W. Moore are the main cultivated aromatic species. We applied Genotyping-by-Sequencing to explore the genetic diversity of these two cultivated vanilla species, seven closely related species and nineteen interspecific hybrids. The inter- and intra-specific relationships of 133 vanilla accessions were examined based on 2004 filtered SNPs. Our results showed a strong genetic structuring between the nine species studied, with wild species showing much lower heterozygosity levels than cultivated ones. Moreover, using Bayesian clustering analyses, the kinship of several hybrids could be verified. We evidenced in particular that Vanilla sotoarenasii and Vanilla odorata C.Presl may be the parental species of V. x tahitensis . The analysis of 1129 SNPs for 84 V . planifolia accessions showed a clear genetic demarcation between the vegetatively propagated traditional vanilla cultivars compared to the accessions derived from sexual reproduction, and a higher genetic diversity and lower heterozygosity of the latter (Ho = 0.206) compared to the former (Ho = 0.362). Our data are consistent with a single-step domestication for V. planifolia in accordance with the recent history of its cultivation. It also opens avenues to breed new V. planifolia varieties adapted to biotic and abiotic constraints and to reduce mutational load induced by clonal propagation