Caractérisation et évolution de la virulence du mildiou face aux résistances de la vigne : apports croisés de la génomique d'association et de l'évolution expérimentale

Characterization and evolution of downy mildew virulence to grapevine resistance: bridging together association genomics and experimental evolution

• Auteur / Autrice : Manon Paineau
• Direction : François Delmotte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Écologie évolutive, fonctionnelle et des communautés
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Environnements (Talence, Gironde ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SAVE - Santé et Agroécologie du VignoblE
• Jury : Président / Présidente : Cecile Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Delmotte, Jean Carlier, Laurence Godiard, Dario Cantu, Frédéric Fabre, Pere Mestre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Carlier, Laurence Godiard, Pere Mestre

Mots clés

Mots clés libres

Interaction plante-pathogène

Virulence

Résistance partielle

Plasmopara viticola

Oomycète

Mildiou de la vigne

Plant-pathogen interaction

Virulence

Partial resistance

Plasmopara viticola

Oomycete

Grapevine downy mildew

Résumé

L'utilisation de la résistance variétale est une méthode de choix pour gérer les maladies des plantes dans les agro-écosystèmes. Cependant, l'uniformité génétique et environnementale des cultures créées par l'intensification agricole à grande échelle entraîne de fortes pression de sélection sur les populations d'agents pathogènes, qui conduisent à leurs adaptation aux variétés résistantes et à des pertes de récolte substantielles. En viticulture, malgré une diffusion encore très restreinte des variétés de vigne résistantes, des contournements de résistance ont déjà été observés en Europe. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d'étudier les mécanismes responsables de l'adaptation de Plasmopara viticola, l'agent pathogène responsable du mildiou de la vigne, face aux résistances à effets partielles actuellement utilisées dans les programmes de sélection. Tout d'abord, nous proposons une méthode de caractérisation des profils de virulence (également nommée pathotype) de P. viticola adaptée au cas particulier des résistances partielles. Nos résultats, obtenus sur 33 souches de P. viticola échantillonnées dans toute l’Europe, montre l'émergence d'un nombre croissant de souches capables de contourner les résistances déployées au vignoble (Rpv3.1, Rpv3.2, Rpv10, Rpv12). Certaines souches de pathoptypes dit complexes, combinent même plusieurs virulences à la fois. Puis, à partir du cas du contournement de la résistance Rpv3.1, nous avons utilisé une approche de génomique d’association pour révéler les bases génomiques responsables de l'émergence de souches virulentes vis-à-vis de ce facteur de résistance. Nous avons mis en évidence qu'une variation structurelle dans le génome de P. viticola est à l'origine du contournement de Rpv3.1. Il s'agit d'une délétion de grande taille (14 à 96 Kb) qui inclut deux gènes de 800 acides aminés codant potentiellement pour des effecteurs. La perte de ces gènes permet au mildiou d'éviter la reconnaissance de la plante : il devient ainsi capable de l'infecter. Enfin, nous avons étudié la dynamique d'adaptation de P. viticola au facteur Rpv3.1 par une approche d'évolution expérimentale en conditions contrôlées. En partant de souches virulentes et avirulentes vis-à-vis de Rpv3.1, nous avons suivi durant 13 générations asexuées successives 48 lignées évolutives de P. viticola réparties dans deux régimes de sélection : un régime avec 100 % de plantes sensibles d'une part, et un régime avec 50 % de plantes sensibles et 50 % de plantes résistantes d'autre part. Aucun contournement de Rpv3.1 n'a été observé au cours de cette évolution expérimentale. Si cette observation suggère que ces évènements ne sont pas très fréquents dans les populations de P. viticola, nos résultats indiquent également, qu'une fois apparu chez des individus, l'allèle de virulence persiste dans la population, y compris en l'absence de la pression de sélection associée. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes évolutifs à l’origine de l’adaptation de l'oomycète P. viticola aux résistances de la vigne. Les méthodologies utilisées ouvrent notamment la voie à l'identification et à l'analyse de la dynamique évolutive des gènes d'avirulence qui interagissent avec les facteurs de résistance utilisés par les sélectionneurs. A terme, nos résultats permettront d'orienter et d'optimiser les stratégies de gestion durable des résistances de la vigne et de leurs déploiement au vignoble.

The use of varietal resistance is a preferred method for the management of plant diseases in agro-ecosystems.However, the genetic and environmental uniformity of crops created by large-scale agricultural intensification often results in strong selection pressure on pathogen populations, resulting in their adaptation to resistant varieties and substantial crop losses. In viticulture, despite a still very limited diffusion of resistant grapevive varieties, resistance breakdown have already been observed in Europe. In this context, this thesis aims to study the mechanisms responsible for the adaptation of Plasmopara viticola, the grapevine downy mildew agent, to partial resistances currently used in breeding programs. Firstly, we propose a method to characterize the virulence profiles (also called pathotype) of P. viticola in the particular context of partial resistance. Our results, obtained on 33 P. viticola strains sampled throughout Europe, confirm the emergence of an increasing number of strains able to break down the resistances deployed in the vineyard (Rpv3.1, Rpv3.2, Rpv10, Rpv12). Some strains of so-called complex pathoptypes even combine several virulences at the same time. Then, starting from the case of Rpv3.1 resistance breakdown, we used an association genomics approach to reveal the genomic basis behind the emergence of strains virulent towards this resistance factor. We demonstrated that a structural variation in the genome of P. viticola is at the origin of the breakdown of Rpv3.1. This is a large deletion (14 to 96 Kb) that includes two genes of 800 amino acids potentially coding for effectors. Their loss allows the parasite to avoid the recognition of the plant: it thus becomes able to infect it. Finally, we studied the dynamics of adaptation of P. viticola to the Rpv3.1 factor by an experimental evolutionary approach under controlled conditions. Starting from virulent and avirulent strains against Rpv3.1, we followed 48 P. viticola lineages over 13 successive generations, distributed in two selection regimes: a regime with 100 % susceptible plants on the one hand, and a regime with 50 % susceptible plants and 50 % resistant plants on the other hand. No breakdown of Rpv3.1 was observed during this experimental evolution. While this observation suggest that such events are not very frequent in populations of P. viticola, our results also indicate that, once emerged in individuals, the virulence allele persists in the population, even in the absence of the associated selection pressure. In conclusion, the results of this thesis contribute to a better understanding of the evolutionary mechanisms underlying the adaptation of the oomycete P. viticola to grapevine resistance.The methodologies used pave the way for the identification and analysis of the evolutionary dynamics of avirulence genes interacting with the resistance factors used by breeders. In the long run, our results will allow us to orient and optimize sustainable management strategies of grapevine resistances and their deployment in the vineyard.