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Génomique fonctionnelle des interactions céréales-pathogènes

Équipe CEREPATH / Marie Dufresne

 

Les céréales à paille (blés tendre et dur, orge, …) sont des espèces végétales importantes sur le plan agronomique. Comme toutes les cultures végétales, elles sont soumises à des agressions d’origine biotique dont les micro-organismes pathogènes. Notre équipe s’intéresse aux interactions céréales-champignons pathogènes avec un focus particulier sur la fusariose des épis (ou FHB : Fusarium Head Blight) des céréales à paille. L’agent causal majoritaire, le champignon ascomycète Fusarium graminearum, est une espèce capable de produire des mycotoxines, dommageables pour l’Homme et l’animal, dont une des plus importantes est le déoxynivalénol (DON).

Trois axes principaux sont développés dans l’équipe :

  •  L’étude de la relation entre détoxication du DON par la plante et résistance à la maladie
  • La caractérisation fonctionnelle d’autres gènes candidats potentiellement impliqués dans la résistance à la FHB
  • Le biocontrôle à l’encontre de la FHB : mise en place de solutions innovantes et mécanismes

 

Relation entre détoxication du DON par la plante et résistance à la maladie

Personnes impliquées : J.C. Pasquet, M. Gatti, C. Macadré, J.M. Seng, M. Dufresne

Financements : allocation doctorale DIM Astrea, Grants4Target Bayer CropScience

 

Au démarrage de ce projet, peu d’études reliant détoxication du DON et résistance à la fusariose des épis avaient été conduites. Toutes utilisaient des systèmes hétérologues (levure, Arabidopsis ou production de protéines recombinantes dans Escherichia coli). Le travail de notre équipe a consisté à tester l’impact de la glucosylation du DON en système hôte pour F. graminearum par (i) caractérisation fonctionnelle d’une UDP-glucosyltransférase (UGT) de la céréale modèle Brachypodium distachyon, (ii) identification et caractérisation d’une UGT chez le blé tendre.


Le gène de Brachypodium distachyon Bradi5g03300 code une UDP-glucosyltransférase impliquée dans le contrôle de la colonisation des épis par Fusarium graminearum. A : Symptômes typiques de fusariose observés 7 jours après inoculation ponctuelle par F. graminearum : Mock, contrôle négatif ; Bd21-3, lignée sauvage ; 8637-12 et 6829-7, lignées mutantes (TILLING) ; OE-9R5, 24R27, 10R14, lignées transgéniques suprexprimant le gène Bradi5g03300. B, Quantification des symptômes de fusariose à l’aide d’une échelle de notation 7 (histogrammes gris) et 14 (histogrammes noirs) jours après inoculation ponctuelle (n>30, les barres d’erreurs représentent les écarts-types, les différentes lettres indiquent des différences significatives entre les lignées ; Newman and Keuls test, p-value ≤ 0.001).

Une approche phylogénétique et des analyses transcriptomiques ont permis d’identifier des gènes de B. distachyon codant des UGTs transcriptionnellement induits par la mycotoxine et l’infection par F. graminearum (Schweiger et al. 2013). Parmi ceux-ci, le gène Bradi5g03300 confère une tolérance au DON en système levure (Schweiger et al. 2013). La caractérisation fonctionnelle in planta de ce gène a montré que l’UGT Bradi5g03300 conjugue le DON en DON-3-O­-glucose in planta et que sa surexpression permet l’établissement d’une résistance non seulement à la colonisation des épis mais également à l’infection primaire par F. graminearum (Pasquet et al. 2016). Par contre, l’expression du gène de B.distachyon dans une variété de blé tendre, si elle permet la conjugaison du DON in planta, n’a montré d’effet que sur la colonisation des épis (résistance de type II) (Gatti et al. 2018a).

Une approche de synténie entre Brachypodium et le blé tendre (collaboration GDEC, Clermont-Ferrand, France) a permis d’identifier de potentiels orthologues du gène Bradi5g03300 chez le blé tendre. L’un d’entre eux, dont l’expression est fortement induite en conditions d’infection par F. graminearum, a été caractérisé fonctionnellement par transformation génétique de B. distachyon. Nous avons pu montrer que l’UGT de blé était capable de conférer une résistance de type II à la fusariose des épis et de réduire considérablement le taux de mycotoxines in planta (Gatti et al. 2018b).

 

Caractérisation fonctionnelle d’autres gènes candidats potentiellement impliqués dans la résistance à la FHB

Personnes impliquées : V. Changenet, M. Januario, C. Macadré, M. Dufresne

Financements : allocation doctorale MESRI

Les analyses transcriptomiques de la réponse de B. distachyon à l’infection par une souche de F. graminearum productrice de DON ou par une souche mutante de F. graminearum incapable de produire la mycotoxine et à l’application du DON ont permis d’identifier des gènes impliqués dans la détoxication mais également dans des voies métaboliques mises en jeu par l’infection et/ou la mycotoxine. Parmi ceux-ci, nous avons conduit l’analyse fonctionnelle d’un gène codant un cytochrome P450-monooxygénase (CYP), CYP711A29. Dans le cadre du travail de thèse de V. Changenet, nous avons montré que ce CYP est l’orthologue de MAX1 d’Arabidopsis thaliana et qu’il est impliqué dans la biosynthèse des strigolactones, plus particulièrement, d’orobanchol. Le gène BdCYP1 appartient à une famille oligogénique de 5 membres. Des analyses sont en cours afin de déterminer par quel biais les strigolactones sont impliquées dans l’interaction B. distachyon / F. graminearum

 

Impact des micro-organismes bénéfiques sur la résistance des plantes aux agents pathogènes

Personnes impliquées : T. Plainchamp, J.M. Seng, M. Dufresne

Financements : WheatBiocontrol (SATT), Stress’N’Sym (Plant2Pro, Carnot)

Récemment, l’équipe a développé une thématique de recherché visant à étudier l’impact de micro-organismes bénéfiques dans les interactions céréales-champignons phytopathogènes. Un premier projet collaboratif (B Lefèbvre, LIPM, Toulouse – T Girin et S Ferrario-Méry, IJPB, Versailles) a pour objectif d’analyser la génétique de la réponse à la mycorhization chez la céréale modèle B. distachyon ainsi que de déterminer l’impact de la mycorhization sur la réponse aux agents pathogènes.


Symptômes de fusariose observés sur épis de blé 14 jours après pulvérisation de Fusarium graminearum seul avec (+ agent de biocontrôle, droite) ou sans (contrôle, gauche) application préalable de l’agent de biocontrôle. Barres : 1 cm.

Un second projet étudie la performance d’une solution de biocontrôle basée sur un micro-organisme et cherche à déterminer qul(s) est (sont) le(s) mode(s) d’action de l’agent de biocontrôle.