Adaptation of phytopathogenic fungi to genetically heterogeneous host populations – case study of the durum wheat – Zymoseptoria tritici pathosystem
Adaptation des champignons phytopathogènes à des peuplements hôtes génétiquement hétérogènes – cas du pathosystème blé dur – Zymoseptoria tritici
Résumé
Traditional varieties are heterogeneous and constitute a source of diversity, which contributes to the productivity and the stability of agroecosystems. Indeed, plant diversity provides services to a given ecosystem, including reducing disease pressure. Understanding the mechanisms underlying plant-pathogen interactions is fundamental to improve disease management. With this in mind, I studied the adaptation between traditional Tunisian durum wheat varieties and populations of Zymoseptoria tritici, the fungus responsible for Septoria Tritici Blotch (STB). Firstly, genotyping 14 traditional varieties, considered as populations, using 9 SSR, showed that genetic diversity is equally important within a population (45%) as it is between populations (54%). This diversity is structured in seven genetic groups that can be explained in part by the nested effect of the « variety name » and the « location ». 15 phenotypic traits, including resistance to STB, were characterized and showed that the populations were also phenotypically diverse. Resistance to STB is qualitative (major resistance) for two of the populations, but generally more quantitative for the other populations. A Pst-Fst comparison demonstrated a local adaptation of traditional varieties, underlining selection trajectories that are closely linked to the territory and the agricultural practices in place. Meanwhile, a high density SNP genotyping (TaBW35K array) of a panel of 127 individuals hailing from four populations all carrying the same variety name ‘Mahmoudi’ brought to light two genetic groups shared by the four populations. This panel of individuals was phenotyped for resistance to a Tunisian Z. tritici strain in a field trial and in controlled conditions. The resulting data was used in a GWAS analysis. This analysis led to the detection of 6 loci associated to STB resistance on chromosomes 1B, 4A, 5B and 7A, including a locus on chromosome 1B associated to a qualitative major resistance. The frequency of the resistant alleles oscillates between 6 and 46% and is variable between populations. On the fungus side, four populations of Z. tritici collected on modern cultivar ‘Karim’ widely cultivated in Tunisia and one population collected on traditional variety ‘Mahmoudi’ were genotyped using 12 SSR. A low level of genetic differentiation was identified between these fungal populations suggesting a significant gene flow between locations. The population collected on ‘Mahmoudi’ was less diversified and had a higher clonal fraction than the populations collected on ‘Karim’. This points towards host-effect on Z. tritici diversity. Cross-inoculation tests highlighted a higher aggressiveness of isolates collected on ‘Mahmoudi’ to ‘Mahmoudi’ lines than that of isolates collected on ‘Karim’, interpreted as a local adaptation of pathogen populations to their sympatric host. This adaptation was especially pronounced for the latency period of isolates, once again underlining the importance of quantitative resistance in the adaptive processes evidenced here. Traditional Tunisian durum wheat varieties are practical cases of heterogeneous host populations effectively limiting STB epidemics. Our results suggest that a combination of resistance genes, mainly quantitative and occasionally with a major effect, with variable frequencies from one variety to another, is key to the sanitary success of these varieties. Findings from this study can be utilized to improve our management of crop diversity in other environments.
Les variétés traditionnelles sont génétiquement hétérogènes et constituent une source de diversité contribuant à la productivité et à la stabilité des agroécosystèmes. En effet, la diversité végétale fournit des services écosystémiques, dont la réduction globale des pressions parasitaires. Pour une meilleure gestion des maladies, la compréhension des mécanismes d’interaction plante-pathogène est primordiale. Dans cette optique, j’ai étudié l’adaptation entre variétés traditionnelles tunisiennes de blé dur et populations fongiques de Zymoseptoria tritici responsable de la septoriose. Dans un premier temps, le génotypage de 14 variétés traditionnelles dites «populations», à l'aide de 9 microsatellites, a montré que la diversité génétique était aussi importante au sein des populations (45%) qu'entre les populations (54%). Cette diversité est structurée en sept groupes génétiques qui s'expliquent en partie par la combinaison « nom de variété » x « localité ». La caractérisation de 15 traits phénotypiques, dont la résistance à la septoriose, a révélé que ces populations étaient également diversifiées phénotypiquement. La résistance à la septoriose est de nature qualitative (résistance majeure) dans deux populations mais plus généralement de nature quantitative dans les autres populations. Une comparaison Pst-Fst a démontré une adaptation locale des variétés traditionnelles, soulignant des trajectoires de sélection intimement liées au territoire et pratiques des agriculteurs les cultivant. Parallèlement, un génotypage SNP à haute densité (puce TaBW35K) d’un panel de 127 individus provenant de quatre populations portant le même nom de variété ‘Mahmoudi’ a mis en évidence deux groupes génétiques partagés par les quatre populations. Ce panel d’individus a été phénotypé au champ et en conditions contrôlées pour sa résistance à une souche tunisienne de Z. tritici, ce qui a permis de conduire une analyse GWAS. Cette analyse a mis en évidence 6 loci associés à la résistance contre la septoriose sur les chromosomes 1B, 4A, 5B et 7A, dont un locus sur le chromosome 1B associé à une résistance majeure de type qualitative. La fréquence des allèles favorables à la résistance oscille entre 6 et 46% dans le panel et est variable d’une population à une autre. Côté agent pathogène, quatre populations de Z. tritici collectées sur le cultivar moderne majoritaire en Tunisie ‘Karim’ et une population collectée sur une des variétés traditionnelles ‘Mahmoudi’ ont été génotypées à l'aide de 12 microsatellites. La faible différenciation génétique entre ces populations fongiques suggère l’existence de flux de gènes importants entre localités. La population collectée sur ‘Mahmoudi’ est apparue comme étant moins diversifiée et ayant une fraction clonale plus importante que les populations collectées sur ‘Karim’, suggérant un effet significatif de l’hôte sur la diversité de Z. tritici. Des tests d'inoculations croisées ont révélé une agressivité supérieure des isolats collectés sur ‘Mahmoudi’ sur les lignées de la variété ‘Mahmoudi’ que des isolats collectés sur le cultivar ‘Karim’, interprétée comme une adaptation locale des populations pathogènes à leur hôte sympatrique. Cette adaptation a été particulièrement marquée par la période de latence des isolats, soulignant à nouveau l’importance de la résistance quantitative dans les processus adaptatifs mis en évidence. Les variétés traditionnelles tunisiennes de blé dur sont des cas concrets de populations hôtes hétérogènes limitant efficacement les épidémies de l’agent pathogène responsable de la septoriose. Les résultats obtenus suggèrent que la combinaison de gènes de résistance, principalement à effet quantitatif et occasionnellement à effet majeur, à des fréquences variables d’une variété à une autre, est la clé de la robustesse sanitaire de ces variétés. Les enseignements acquis au cours de cette étude pourront être mobilisés pour améliorer la gestion de la diversité cultivée dans d’autres environnements.