Estimation of the risks of resistance selection against QiI type fungicides in Zymoseptoria tritici
Estimation des risques de sélection de résistances contre les fongicides de type QiI chez Zymoseptoria tritici
Résumé
Resistance to fungicides represents a major challenge for plant protection, and underlies the theoretical question of predicting and mitigating adaptation. This thesis exemplified this problem while studying the evolution of the highly adaptive pathogen Zymoseptoria tritici, responsible in the field for wheat Septoria tritici blotch (STB), and fenpicoxamid, a newly developed anti-STB mode of action, inhibiting mitochondrial respiration while binding at the cytochrome b inner ubiquinone binding (Qi) site. We addressed three main questions: 1/ What is/are the most plausible resistance mechanism(s) to emerge? ; 2/ How high is the risk of fenpicoxamid resistance under controlled conditions? ; 3/ What would be the optimal strategies to reduce the risk of fenpicoxamid resistance development?Using directed evolution, we identified target site resistance, and in particular the cytochrome b Qi site change G37V as the most likely resistance mechanism, consistent with parallel evolution observed in other taxa resistant to QiIs. G37V isolates displayed high resistance factors against fenpicoxamid, at the cellular and enzyme levels. The G37V change reduced enzyme activity in the absence of inhibitor by 50% although with no visible impact on in vitro growth. First results also revealed no effect of the reduced enzyme activity on pathogenicity of mutants bearing the CYTb G37V change, with or without the G143A Qo site change. Susceptibility assays in planta indicated a strong impact of the G37V substitution on fenpicoxamid in planta efficacy. Altogether, this suggested high risk of resistance for fenpicoxamid and stressed the primary importance of strategies efficient at delaying resistance development in the field. By experimental evolution, we then evaluated various scenarios of fungicide deployment, including fenpicoxamid but differing according to the number of different active ingredients, their respective inherent risk of resistance and the application strategy (e.g. alternation vs. in mixture). First results indicated that mixtures could significantly delay the development of resistance, when including a partner with different mode of action exhibiting strong synergy with fenpicoxamid. This increased the overall fungicide dose and allowed sufficient control of resistant genotypes. However, we discuss the limitations of this strategy.The results of this work provided evidence that experimental evolution is a valuable tool in Z. tritici to predict evolutionary outcomes for fungicide resistance. From the practical point of view, it offered new perspectives to implement responsible recommendations prior to fungicide release, in agreement with the demand for more prudent use of synthetic plant protection products.
La résistance aux fongicides représente un défi majeur pour la protection des plantes, et soulève la question théorique de la prédiction et de la réduction de l'adaptation chez les champignons. Cette thèse illustre cette problématique en étudiant l'évolution du pathogène fongique Zymoseptoria tritici, responsable au champ de la septoriose du blé, et du fenpicoxamide, représentant un nouveau mode d'action anti-septoriose en cours de développement, et inhibant la respiration mitochondriale en se liant au cytochrome b, au niveau du site de fixation interne de l'ubiquinone (site Qi). Nous avons abordé trois questions principales : 1/ Quel(s) est/sont le(s) mécanisme(s) de résistance le(s) plus susceptibles(s) d’émerger ? ; 2/ Quel est le risque pratique de résistance au fenpicoxamide en conditions contrôlées ? ; 3/ Quelles seraient les stratégies optimales pour réduire ce risque de résistance au fenpicoxamide ?En utilisant l'évolution dirigée, nous avons identifié la résistance de cible, et en particulier une substitution au niveau du site Qi du cytochrome b : G37V, comme le mécanisme de résistance le plus probable, ce qui est cohérent avec l'évolution parallèle observée chez d'autres taxons résistants aux QiIs. Les isolats G37V présentaient des facteurs de résistance élevés contre le fenpicoxamide, à la fois au niveau cellulaire et enzymatique. La substitution G37V entraînait également une réduction de l'activité enzymatique de 50%, sans toutefois avoir d'impact visible sur la croissance in vitro. Les premiers résultats ont également révélé l'absence d'effet de cette réduction d'activité enzymatique sur la pathogénicité, chez des mutants portant les altérations du cytochrome b G37V et G143A. Les tests in planta indiquaient par ailleurs un fort impact de la substitution G37V sur l'efficacité du fenpicoxamide. L'ensemble de ces résultats suggère un risque élevé de résistance en pratique pour le fenpicoxamide, et souligne l'importance primordiale d’implémenter des stratégies efficaces à retarder l'évolution de la résistance au champ. Par évolution expérimentale, nous avons donc évalué divers scénarios de déploiement de fongicides, incluant le fenpicoxamide, mais différant par le nombre de différentes substances actives, leurs risques inhérents de sélectionner la résistance, et la stratégie d’application (par exemple, en alternance ou en mélange). Les premiers résultats indiquaient que le développement de la résistance peut être significativement retardé par des mélanges incluant un partenaire avec un mode d’action différent et présentant une forte synergie avec le fenpicoxamide. En effet, la synergie augmente la dose relative de fongicide appliquée, et permet un contrôle suffisant des génotypes résistants. Nous discutons cependant des limites de cette stratégie.Les résultats de cette thèse ont démontré que l'évolution expérimentale est un outil précieux chez Z. tritici pour établir des hypothèses quant à l’évolution des champignons pathogènes, pour ce qui concerne la résistance aux fongicides. D'un point de vue opérationnel, elle a ouvert de nouvelles perspectives pour mettre en œuvre des recommandations responsables préalablement à la mise sur le marché de nouveaux fongicides, en accord avec la demande d'une utilisation plus prudente des produits phytosanitaires d’origine synthétique.