Endophytes de céréales : biostimulation et biocontrôle

Equipe SYMUNITY / Pascal Ratet

 

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 abiotique ou biotique. Pour s'adapter à ces différents stress, les céréales mettent en place des mécanismes de défense et/ou d'adaptation. Elles peuvent également s'associer à des microorganismes bénéfiques leur permettant de mieux croître (biostimulation) et/ou se défendre contre les agents pathogènes (biocontrôle).

Les axes de recherche que notre équipe développe utilisent principalement deux espèces de céréales : le blé tendre (Triticum aestivum) et Brachypodium distachyon. Différentes  interactions céréales-champignons pathogènes sont également employées avec un focus particulier sur la fusariose des épis (ou FHB : Fusarium Head Blight) des céréales à paille dont l’agent causal majoritaire est le champignon ascomycète Fusarium graminearum. Cette espèce fongique est capable, pendant l’infection des épis de son hôte (voir Figure ci-dessous), de produire des mycotoxines, dommageables pour l’Homme et l’animal, dont une des plus importantes est le déoxynivalénol (DON).

 


Figure 5. Symptômes de fusariose sur épis de Brachypodium distachyon (gauche) et de blé tendre (droite) 14 jours après infection. Barres : 1 cm.

Deux axes principaux sont développés dans la partie "Céréales" de l'équipe SYMUNITY :

  • La caractérisation fonctionnelle de gènes candidats potentiellement impliqués dans les défenses contre la fusariose des épis
  • L'étude de l'impact de microorganismes bénéfiques du sol sur la croissance et la protection contre les maladies

 

 

Mécanismes de défense contre la fusariose des épis

 

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

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.


Figure 6. 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 codant des UGTs chez B. distachyon 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 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 sensible 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. 2019).

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. 2018).

 

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

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

 

Récemment, l’équipe a développé une thématique de recherche visant à étudier l’impact de micro-organismes bénéfiques dans la nutrition/croissance dublé ou dans ses interactions avec des champignons phytopathogènes.

 

Interactions céréales / bactéries diazotrophes

Les grandes cultures comme le blé, l'orge, le maïs nécessitent l'ajout d'engrais chimiques pour leur croissance. Nous aimerions savoir si ces cultures sont capables d'interagir avec des micro-organismes fixant l'azote atmosphérique. Les endophytes fixateurs de diazote (N2) sont par exemple présents dans la canne à sucre. Nous avons isolé des endophytes racinaires capables de fixer l'azote in vitro à partir de blé en culture biologique (plantes de plein champ cultivées sans engrais de synthèse). Plusieurs bactéries ont été isolées et le génome de l'une d'elles a été séquencé (données non publiées). Des expériences préliminaires indiquent une association étroite de l'une de ces souches avec les racines de blé. D'autres expériences montreront si cette bactérie peut se comporter comme un endophyte.

 

Trichoderma sp. : agent de biocontrôle, de biostimulation ou les deux ?

Un second volet étudie l'impact de l'interaction avec une souche de Trichoderma sp. sur : (1) la stimulation de la croissance de la plante et (2) la protection à l'encontre de la fusariose des épis en fonction du mode d'application. Ce projet collaboratif (IJPB Versailles, IPS2, Plant2Pro) permettra de mieux comprendre les mécanismes mis en oeuvre et leur(s) potentielle(s) interaction(s).

Basée sur cette même souche de Trichoderma sp., une solution de biocontrôle contre la fusariose des épis est en cours d'évaluation en plein champs (SATT Paris-Saclay, voir Figure ci-dessous).



Figure 7. Symptômes de fusariose observés sur épis de blé 14 jours après pulvérisation de Fusarium graminearum avec (+ agent de biocontrôle, droite) ou sans (contrôle, gauche) application préalable de l’agent de biocontrôle. Barres : 1 cm.