De la caractérisation fine du dialogue moléculaire entre le blé et Fusarium graminearum à l'identification des facteurs de sensibilité à la fusariose de l’épi

From the detailed characterization of the molecular crosstalk between wheat and Fusarium graminearum to the identification of the Fusarium Head Blight susceptibility factors

• Auteur / Autrice : Florian Rocher
• Direction : Ludovic Bonhomme, Thierry Langin, Philippe Label
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale
• Date : Soutenance le 28/11/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Lejay, Marie-Laure Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Raffaele, Claire Veneault-Fourrey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusarioses

Blé

Mots clés libres

Fusarium graminearum

Blé

Dialogue moléculaire

Effecteurs

Facteurs de sensibilité

Transcriptomique à l’échelle du système

Ecophysiologie

Fusarium graminearum

Wheat

Molecular crosstalk

Effectors

Susceptibility factors

System-level transcriptomics

Ecophysiology

Résumé

Fusarium graminearum, l’agent principal de la fusariose de l’épi (FHB), est l’un des agentspathogènes les plus nuisibles des céréales, en particulier du blé. Avec des impacts directs sur le rendement, la qualité du grain et par l'accumulation de mycotoxines cancérigènes, la fusariose est considérée comme un facteur limitant majeur pour la production de blé en Europe, en Amérique du Nord et en Asie, entraînant d’importantes pertes économiques. Avec la hausse des températures associée à des augmentations occasionnelles de l'humidité de l'air dues au changement climatique, les épidémies de FHB devraient être plus fréquentes et intenses. Actuellement, les méthodes de lutte, basées sur l'utilisation combinée de cultivars résistants, de pratiques agronomiques adaptées et de traitements fongicides, sont inefficaces pour contrôler totalement les épidémies de FHB. Il est ainsi nécessaire de poursuivre les travaux de recherche pour développer de meilleures stratégies de gestion. La résistance du blé au FHB est un caractère strictement quantitatif qui implique de nombreux « Quantitative trait loci » (QTL) présentant des effets relativement faibles, en particulier lorsque les conditions environnementales sont favorables à l'agent pathogène, rendant nécessaire la recherche de sources alternatives de résistance. Au cours des vingt dernières années, les multiples preuves de l'existence des gènes des plantes requis pour l'infection par des agents pathogènes ont ouvert de nouvelles opportunités pour le contrôle de l'immunité des plantes. Ces gènes, les gènes de sensibilité, sont impliqués dans une large gamme de processus fondamentaux de la plante qui sont manipulés par les effecteurs sécrétés par l'agent pathogène. Au sein du pathosystème blé - F. graminearum, le rôle des gènes de sensibilité dans l’issue de l'interaction a déjà été démontré dans plusieurs études. Par conséquent, élucider les mécanismes de sensibilité du blé à F. graminearum représente une approche prometteuse pour améliorer la résistance au FHB. Dans ce but, un profilage, par RNA-seq, des gènes de F. graminearum codant les effecteurs putatifs et des gènes de réponse du blé au FHB a été réalisé au cours d'une cinétique d’infection et en tirant avantage de la variabilité génétique des deux espèces. Cette approche a mis en évidence un programme d'infection complexe et très conservé, basé sur un core-effectome de 357 gènes exprimés de manière séquentielle au cours de l'infection. La caractérisation du réseau de régulation contrôlant les réponses du blé à la fusariose a mis en évidence un ensemble de régulateurs principaux. Ensuite, l’intégration des réponses du blé avec les données d'expression des gènes codant les effecteurs de F. graminearum a permis l'identification de facteurs de sensibilité putatifs impliquant principalement l'inhibition des mécanismes de défense des plantes et incluant plusieurs gènes correspondant à des régulateurs très connectés précédemment identifiés. Enfin, une analyse approfondie de l'état physiologique des épis de blé lors de l'infection par le FHB par une double approche, la mesure des échanges gazeux et les réponses transcriptomiques du blé au FHB, a démontré une forte augmentation de la respiration parallèlement à une altération des processus photochimiques et biochimiques de la photosynthèse. L’ensemble de nos résultats ont fourni un corpus robuste et conservé d'effecteurs et de facteurs de susceptibilité proposés comme étant nécessaires au succès de l'infection du blé par F. graminearum et constituant une ressource d’intérêt pour la sélection du blé.

Fusarium graminearum, the main causal agent of Fusarium Head Blight (FHB), is one of the most damaging pathogens in small grain cereals, especially wheat. With direct impacts on yield, grain quality and through the accumulation of carcinogenic mycotoxins, FHB is considered as a major limiting factor for wheat production in Europe, North America and Asia resulting in substantial economic losses. With rising temperatures and occasional increases in air humidity due to climate change, FHB outbreaks are expected to be more frequent and intense. Currently, control methods, based on the combined use of resistant cultivars, adapted agronomical practices and fungicide treatments, are ineffective to fully control FHB outbreaks. Thus, further research is needed to develop better management strategies. Wheat resistance to FHB is a strictly quantitative trait which involves multiple Quantitative Trait Loci (QTLs) displaying relatively minor effects especially when environmental conditions are conducive to the pathogen, making it necessary to search alternative sources of resistance. For the last twenty years, the multiple evidences of plant genes required for pathogen infection have opened new opportunities to control immunity in plants. These genes, the so-called susceptibility genes, are involved in a wide range of plant fundamental processes that are hijacked by the pathogen through the delivery of effectors. In the wheat - F. graminearum pathosystem, the role of susceptibility genes in the interaction outcome has already been demonstrated in several studies. Hence, elucidate the mechanisms of wheat susceptibility to F. graminearum represents a promising approach to improve FHB resistance. For this purpose, a RNA-seq based profiling of F. graminearum genes encoding putative effectors and wheat’s FHB responsive genes was performed during a time course infection and by taking advantage of the genetic variability from both species. This approach shed light on a highly conserved and complex infection program based on a core-effectome of 357 genes sequentially expressed along infection progress. Through the characterization of the regulation network orchestrating wheat responses to FHB, a set of master regulators was evidenced. Then, the dual-integration of wheat’s responses with the expression data of F. graminearum effector genes led to the identification of putative susceptibility factors mostly involved the inhibition of plant defense mechanisms, of which several genes corresponded to highly connected regulators afore-described. Finally, an in-depth analysis of the physiological status of wheat’s spikes along FHB infection in a two-pronged approach, gas exchange measurements and wheat’s transcriptomic responses to FHB, demonstrated a strong increase of the respiration rate parallel to an alteration of the photochemical and biochemical processes involved in the photosynthesis. Taken together, our findings provided a robust corpus of the conserved effectors and susceptibility factors proposed to be necessary for the success of F. graminearum infection in wheat and will be a valuable resource for wheat breeding.