Reinforcing and broadening wheat resistance against Fusarium diseases by a barley deoxynivalenol detoxifying UDP‐glucosyltransferase and its pyramiding with ectopic glycosidase inhibitors

Renforcement et extension de la résistance du blé aux maladies causées par Fusarium par l'expression d'une UDP-glycosyltransférase d'orge capable de détoxifier le déoxynivalenol seule ou en conjonction avec l'expression d'inhibiteurs ectopiques de glycosidase

• Auteur / Autrice : Giulia Mandala
• Direction : Thierry Giardina, Renato D'Ovidio, Carla Ceoloni, Marc Maresca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale
• Date : Soutenance le 24/04/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Università degli studi della Tuscia (Viterbo, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires de Marseille (ISM2)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Bellincampi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Maresca
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Oswald, Francesco Favaron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusarium

Blé

Biologie végétale

Mots clés libres

Fhb

Fcr

Plants transgéniques

HvUGT13248

Détoxification du DON

Pyramidation des gènes

Fhb

Fcr

Transgenic plants

HvUGT13248

DON-Detoxification

Gene pyramiding

Résumé

Les maladies du blé causées par Fusarium, comme la brulure de l’épi (FHB) et la pourriture de la tige (FCR), entrainent une réduction de production, de la qualité du blé et des problèmes de sécurité alimentaire liés à la présence de mycotoxines affectant la santé de l’Homme et des animaux: la plus représentée étant le déoxynivalénol (DON). Le DON est un inhibiteur de la synthèse protéique qui agit durant l’infection comme un facteur de virulence. La glycosylation du DON en D3G (DON-3-O-glicoside) catalysée par des UDP-glycosyltransférases (UGTs) est le principal mécanisme de protection des plantes contre sa toxicité. Dans ce travail, nous avons démontré que la détoxification du DON par l’UGT confère une résistance à large spectre contre les champignons produisant DON F.graminearum et F.culmorum. Nous avons produit des plants de blé dur exprimant de manière constitutive le gène HvUGT13248 (Ubi-UGT) et des plants de blé panifiables exprimant ce gène au niveau du tissu floral (Lem-UGT). Les plants Ubi-UGT ont montré une réduction significative des symptômes de FHB durant les stades précoces et médians de l’infection, et de FCR à tous les stades de l’infection. De plus, les plants Lem-UGT ont montré une corrélation entre les niveaux d’expression de l’UGT et de protection observée. Finalement, nous avons démontré que la pyramidation des gènes associés à des mécanismes de résistance différents peut renforcer la résistance de l’hôte à l’infection. Des plants de blé ont été générés exprimant à la fois l’enzyme HvUGT13248, et des inhibiteurs de glycosidases: AcPMEI ou PvPGIP2, impliqués dans la dégradation de la paroi cellulosique, et qui ont montré une résistance accrue à la FHB.

Fusarium diseases, including Fusarium head blight (FHB) and Fusarium crown rot (FCR) represent major agricultural problems worldwide, causing reduction of grain yield and quality and food safety. In particular, grain contamination by Fusarium mycotoxins, mainly deoxynivalenol (DON), is responsible for health problems in humans and animals. DON is a protein synthesis inhibitor, acting as a virulence factor during pathogenesis. The principal mechanism involved in enhancing plant tolerance to DON is glycosylation, forming DON-3-β-D-glucoside (D3G), performed by specific UDP-glucosyltransferases (UGTs). In this work, we demonstrated that DON-detoxification by UGT confers a broad-spectrum resistance against the DON-producing fungi F. graminearum and F. culmorum, characterized by different time of infection and target organs. We produced transgenic durum wheat plants (Ubi-UGT) constitutively expressing the barley HvUGT13248 and bread wheat plants (Lem-UGT) expressing HvUGT13248 in flower tissues. Ubi-UGT plants revealed significant reduction of FHB symptom, during early-mid stages of infection, and of FCR symptom, throughout the infection timing. The floral-specific expression highlighted a dose-dependent efficacy of the UGT detoxification mechanism. In addition, we demonstrated that pyramiding of genes controlling different resistance mechanisms can further reinforce the host response by stacking transgenes controlling the DON-to-D3G conversion and the inhibition of cell wall degrading enzymes by glycosidase inhibitors in the same wheat genotype. We obtained plants expressing HvUGT13248 and AcPMEI or HvUGT13248 and PvPGIP2, which exhibited increased FHB resistance.