Adaptation des champignons phytopathogènes aux pressions anthropisées (et à l'environnement) - T. Rouxel, S. Fillinger, F. Suffert INRA-Bioger
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Adaptation des champignons
phytopathogènes aux pressions
anthropisées (et à l’environnement)
T. Rouxel, S. Fillinger, F. Suffert
INRA-BiogerBIOGER : Biologie des champignons phytopathogènes et évaluation des risques UR fondée en 2009. 70 personnes: 23 scientifiques et ingénieurs, 34 techniciens et administratifs; 15 PhD et post-docs Cinq équipes plus plate-formes techniques • Multidisciplinaire en mycopathologie végétale et résistance aux fongicides (génomique, biologie moléculaire et biochimie, génétique des populations, évolution/adaptation, épidémiologie, modélisation, diagnostic et taxonomie) • Objectif : développement de méthodes de contrôle durables qui prennent en compte i) les interactions plante-pathogène (ou pathogène-fongicides) et ii) comment ces interactions évoluent dans différents systèmes de culture. Principaux modèles : Leptosphaeria maculans, Botrytis cinerea, Mycosphaerella graminicola, rouilles du blé
Les modèles travaillés à Bioger
Sexués, gamme d’hôte étroite:
Champignons pathogènes du blé (1ere culture française) et du colza (3éme culture française)
Mycosphaerella graminicola : septoriose
Leptosphaeria maculans : nécrose du collet des
du blé; Ascomycète, Dothideomycete,
crucifères; Ascomycète, Dothideomycete,
hémibiotrophe, apoplastique,
hémibiotrophe, apoplastique, invasif, origine récente
« domestication » récente
Sexué, gamme d’hôte très
large:
Botrytis cinerea : Ascomycète,
Leotiomycete, nécrotrophe,
cible majeure de traitements
fongicidesLes champignons phytopathogènes, des organismes modèles
pour étudier l’adaptation
• Reproduction mixte sexuée + végétative
• Temps de génération rapide/ grande taille de
population efficace
• Dissémination naturelle à grande échelle;
dissémination intercontinentale liée aux échanges
globaux
• En agriculture : pression de sélection exercée sur
un petit nombre (un seul) gène fongique
• Ressources et facilité de culture in vitro
AvrLm1 % acreage
avrLm1 sown with
100% Rlm1 cv.
80%
60%
40%
20%
0%
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Rouxel et al., EJPP 2003Les champignons phytopathogènes, des organismes modèles
pour étudier l’adaptation
• Eucaryotes
• Petits génomes haploïdes (séquence de référence
et re-séquençage)
• Génomes « à deux vitesses » (MC, isochores, TE-
invaded…) et extrême plasticité génomique
• Des mécanismes évolutifs spécifiques (RIP, HGT,
…)L’adaptation des champignons
phytopathogènes : trois exemples
Adaptation saisonnière de M. graminicola à la
température et au stade phénologique de son hôte
Une approche descriptive : adaptation à la température
au cours du cycle parasitaire chez M. graminicola Enjeux Comprendre le commencement des épidémies (inoculum primaire)
et leur récurrence pluriannuelle
Caractériser les réponses adaptatives de court terme des
populations d’agents phytopathogènes aux fluctuations saisonnières
Frédéric Suffert Équipe Epidémiomologie
BIOGER
Grignon, France
• Contournement de la résistance Rlm7 chez L.
Deux approches mécanistiques :
maculans
• Résistance au fenhexamide chez B. cinerea
Adaptation des champignons
phytopathogènes aux fongicides
Analyse des mécanismes
de résistance
•Biochimie
Fitness
•Evaluation du coût de
Molecular evolution of the AvrLm7 avirulence gene of
•Génétique moléculaire
•Validation fonctionnelle
la résistance Leptosphaeria maculans under resistance gene
selection in the field is driven by its genomic location,
Mo
Mutation ou surexpression de la
dé
cible mating and cropping practices
lis
Ou ectio
dé
•
ati
tils n
t
n o
de
Métabolisation
M.H. Balesdent, G. Daverdin, T. Rouxel, INRA BIOGER, Grignon
L. Gout, AgroParisTech, Grignon
A B X Stratégies J.N. Aubertot INRA UMR 1248 AGIR, Toulouse
Efflux Y
de lutte X. Pinochet, CETIOM, Grignon
Compensation
Suivi des populations
•Génétique des populations
•Structuration/pression de sélection-
migration
Du champ au gène/génome
et vice versa…Adaptation saisonnière de M. graminicola à la
température et au stade phénologique de son hôte
Comprendre le commencement des épidémies (inoculum primaire)
Enjeux et leur récurrence pluriannuelle
Caractériser les réponses adaptatives de court terme des
populations d’agents phytopathogènes aux fluctuations saisonnières
Frédéric Suffert Équipe Epidémiomologie
BIOGER
Grignon, FranceObjectif
Montrer qu'une population locale de M. graminicola possède des facultés
d'adaptation aux variations environnementales saisonnières
POP2
POP1 de printemps
ascospores
(repro sexuée) d’hiver pycnidiospores
(repro asexuée)
Début Fin
O N D J F M A M J J
Hiver Printemps
températures décroissantes températures élevées
stade plantules stade plantes adultes
= deux phases de sélection potentielle
Stratégie d’expérimentation: 1/ Collecte des deux populations
Comparer les composantes d'agressivité de 2 pop. locales (hiver vs. printemps),
dans deux environnements contrôlés, en parallèle.Stratégie
POP1 POP2 POP1 POP2
Environnement hivernal Environnement printanier
basses températures températures élevées
stade plantules stade plantes adultes
Stratégie d’expérimentation: 2/ Test en conditions contrôlées
Comparer les composantes d'agressivité de 2 pop. locales (hiver vs. printemps),
dans deux environnements contrôlés, en parallèle.Résultats/conclusions
Meilleure adaptation de Pop2 (fin) par rapport à Pop1 (début) :
- adaptation de traits déterminants pour l’épidémie :
meilleure capacité à sporuler dans l’environnement hivernal
période de latence plus courte dans l’environnement printanier
- adaptation complexe (interaction température x stade phénologique)
Evidence expérimentale de facultés d'adaptation susceptibles d'intervenir
localement, à l'échelle d’une année, dans la sélection de la population d'un champignon
phytopathogène en interaction étroite avec le stade de l’hôte et la température.Adaptation des champignons phytopathogènes aux
fongicides
Analyse des mécanismes
de résistance Fitness
•Biochimie •Evaluation du coût de
•Génétique moléculaire la résistance
•Validation fonctionnelle
Mo
Mutation ou surexpression de la
dé
cible
Ou tecti
li
sa
dé
tils on
tio
n
de
Métabolisation
A B X Stratégies
Efflux Y
de lutte
Compensation
Suivi des populations
•Génétique des populations
•Structuration/pression de sélection-
migration
Du champ au gène/génome
et vice versa…Adaptation de Botrytis cinerea au fenhexamid (SBI)
Mécanisme de résistance
Mutation de cible: changement d’affinité du + strand Forward Primer
Allele Specific
Taqman® MGB probe 3’
fenhexamid pour sa cible (3-keto-réductase). 5’
FAM
Fillinger et al. (2008), AAC
- strand 5’
Debieu et al. (2012), Pest. Manag. Sc. 3’ Allele Specific
Reverse Primer
Site de fixation
Motif NAGI Site Domaine
du NADPH
actif transmembranaire
Outils de détection
18 195 331 386 535
ASPPA PCR = qPCR allèle
HydR3- HydR3- HydR3- HydR3- HydR3- HydR3- HydR3- HydR3- spécifique pour quantifier les
L195F N196Y V309M A314V S336C N369D L400F/S L501W
isolats HydR3 dans les
populations.
HydR3+ : F412S F412I F412V Billard et al. (2012) AEM
Suivi des populations
Augmentation constante des
fréquences d’isolats fortement
résistants au fenhexamid.
Nombre d’applications
Fréquence de d’isolats
résistants HydR3Adaptation de Botrytis cinerea au fenhexamid (SBI)
Mécanisme de résistance Fitness
Mutation de cible: changement d’affinité du fenhexamid
pour sa cible (3-keto-réductase). Evaluation du coût de la résistance
Fillinger et al. (2008), AAC sur souches isogénique.
Debieu et al. (2012), Pest. Manag. Sc.
Relation fitness / persistance
Site de fixation
du NADPH Motif NAGI Site Domaine 100 %
actif transmembranaire
18 195 331 386 535 Fitness non
HydR3-
L195F
HydR3-
N196Y
HydR3-
V309M
HydR3- HydR3- HydR3- HydR3-
A314V S336C N369D L400F/S
HydR3-
L501W
réduite
Généralisation
HydR3+ : F412S F412I F412V
50 %
Fitness
réduite
=> phénotype HydR3+ ne0se % Raréfaction
généralisera pas dans les
populations si l’on diminue
la pression sélective exercée Cycle de vie de Botrytis cinerea
apothecie
par le fenhexamid.
Suivi des populations
Billard et al. (2011) Pest. fertilisation Reduction chromotique
Augmentation constante des Manag. Sci.
ascques
paraphyses
fréquences d’isolats fortement microconidie
60 spermatisation
résistants au fenhexamid. 55
50 Cycle sexué Propagation
Radial growth (mm)
45
sclerote
40 a
35 microconidio
b phore mycelium
30 homocaryotique
c bc
25
20
mycelium
15
B0510∆ku70 erg27F412S erg27F412I erg27F412V
macroconidie
macroconidiophore Macroconidie germée
Cycle asexué
macroconidieMolecular evolution of the AvrLm7 avirulence gene of
Leptosphaeria maculans under resistance gene
selection in the field is driven by its genomic location,
mating and cropping practices
M.H. Balesdent, G. Daverdin, T. Rouxel, INRA BIOGER, Grignon
L. Gout, AgroParisTech, Grignon
J.N. Aubertot INRA UMR 1248 AGIR, Toulouse
X. Pinochet, CETIOM, Grignon
Daverdin et al., PLoS Pathogens (sous presse)Gènes majeurs de résistance et breakdown
AvrLm1 % acreage
sown with
R r avrLm1 Rlm1 cv.
100%
80%
Avr
avirulent isolate 60%
40%
avr 20%
virulent isolate
0%
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
(Rouxel et al, 2003)
Utilisation en agriculture de gènes majeurs de résistance (Rlm)
Mécanisme de surveillance : une cible unique (gène d’avirulence-AvrLm)
Forte pression => adaptation rapide des populations
Déterminisme moléculaire/génomique de l’adaptation?Soumettre une population naturelle à la pression de sélection durant 3 années et
analyser les événements moléculaires responsable du breakdown Rlm7
1st generation 2nd generation 3rd generation
Differential (“2006”) (“2007”) (“2008”)
treatment
Year
Growing
season
2004-2005 2005-2006 2006-2007 2007-2008
1967 souches isolées:
- Phénotypées (AvrLm7)
- génotypées (marqueurs neutres : minisatellites)
- Amplification/séquençage AvrLm4-7Résultats:
Frequency
(%) of
virulent
avrLm7
isolates
40
2007-2008 growing season
30
• Evolution très rapide des populations 2006-2007 growing season
20
10
• Une extrême diversité d’événements
moléculaires responsables du 0
contournement: 20002002 1 Jan 2007 1 Jan 2008
•Pas de différentiation des
populations : les événements
sont générés et sélectionnés
localementConclusions
• La plupart des événements de
mutation (97.8%) : perte ou
inactivation du gène (incl. effet
drastique sur la structure 3-D de
la protéine)
• 87.6 % des événements (RIP,
délétions) sont générés par la
reproduction sexuée et favorisés
par l’environnement génomique
d’AvrLm4-7 AvrLm4-7 (148 aa)
GC1 AT2
• La reproduction sexuée obligatoire génère tous les ans, localement et à haute
fréquence des souches virulentes sélectionnées par les pantes résistantesQuelques projets en lien avec l’adaptation
Adaptation à la résistance non-hôte chez trois champignons (L. maculans,
M. graminicola et Puccinia triticina): demande poste CR2 pour Bioger
Génomique comparative et évolutive :
Lien entre invasion des génomes par les ET et génération de nouvelles
espèces (?) mieux adaptées et plus agressives
Analyse de plusieurs espèces du complexe L. maculans-L. biglobosa
Génomique des populations pour étudier l’adaptation à l’hôte (spécialisation
et adaptation à des résistances quantitatives): ANR-GandalfVous pouvez aussi lire
