Mycorrhiza-induced resistance against Thielaviopsis basicola in the ornemental crop Petunia hybrida

par Soukayna Hayek

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Soutenue le 03-05-2012

à Dijon en cotutelle avec Humboldt-Universität (Berlin) , dans le cadre de École doctorale E2S Environnements, Santé, STIC (Dijon) , en partenariat avec Agroécologie (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était David Wendehenne.

Le jury était composé de Silvio Gianinazzi.

Les rapporteurs étaient Stéphane Declerck, Bettina Hause.

  • Titre traduit

    La résistance induite par la mycorhization contre Thielaviopsis basicola chez la plante ornamental [sic] Petunia hybrida


  • Résumé

    Petunia hybrida est une plante ornementale d'intérêt économique élevé, mais diverses agents pathogènes racinaires peuvent causer des pertes dramatiques en serres, surtout chez les plantes produites dans les substrats artificiels. Leur contrôle par des méthodes conventionnelles implique un usage excessif de pesticides. Une horticulture plus durable exige des méthodes alternatives pour réduire ces intrants chimiques. L'introduction des mycorhizes à arbuscules (MA), connue pour réduire certaines maladies racinaires chez d'autres espèces végétales, dans l'itinéraire de production pourrait constituer une partie intégrante d'une stratégie appropriée. Cependant, les effets mycorhiziens contre les pathogènes racinaires ne sont pas toujours prévisibles et les mécanismes qui régulent les effets protecteurs des mycorhizes sont largement inconnues. Dans ce contexte, la résistance induite par la mycorhize (RIM) a été étudiée chez P. hybrida dans un substrat horticole artificiel, et les mécanismes impliqués ont été recherchés.Après avoir testé différents champignons racinaires provoquant des maladies lors des productions de pétunia en pépinière, Thielaviopsis basicola a été sélectionné pour le pathosystème modèle. Trois espèces fongiques MA ont été évaluées pour leur capacité à protéger le pétunia contre T. basicola; seul Glomus mosseae BEG 12 a réduit la propagation du pathogène dans les racines, ainsi que les symptômes de maladie. Des expériences basées sur un système « split-root » ont montré que cet effet protecteur est systémique et peut être induite dans les parties non-mycorhiziennes de systèmes racinaires mycorhizés, en accord avec des études d'autres pathosystèmes végétaux. Par ailleurs, l’activité du champignon MA réduit de cinq fois l'apport nécessaire en engrais phosphaté, mais améliore pas la tolérance du pétunia aux concentrations élevées du sel dans le substrat horticole.Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la RIM vis-à-vis T. basicola chez le pétunia, diverses hypothèses ont été testées en analysant l'expression de gènes impliqués dans différentes voies de défense des plantes. Neuf gènes liés à la voie de signalisation de l'acide jasmonique, impliquée dans la résistance systémique induite (RSI) par des bactéries favorisant la croissance végétale, et trois gènes activés par l'acide salicylique, une molécule clé dans la résistance systémique acquise (RSA), ont été sélectionnés. Le profil d'expression de ces gènes indique que ces deux voies ne sont pas principalement impliquées dans la RIM locale contre le pathogène, tandis que la RIM systémique pourrait inclure des éléments de la RSA et de la RSI. L’infection par T. basicola des racines mycorhizées de pétunia n’affecte pas l'activation de sept gènes liés à la MA, ce qui montre que l'agent pathogène n'influence pas la fonctionnalité symbiotique. Les résultats suggèrent que la partie du programme cellulaire symbiotique englobant les gènes de défense végétaux régulés par la MA pourraient constitutivement contribuer à l'expression de la RIM locale ; leur rôle dans ce phénomène mérite des études plus approfondies


  • Résumé

    Petunia hybrida is an ornamental crop of high economic interest but diverse root pathogens can cause high ¬losses, especially in soilless greenhouse production systems, and their control by conventional methods implies an excessive use of pesticides. A more sustainable horticulture requires alternative methods to counter these chemical inputs. The introduction of arbuscular mycorrhiza (AM), known to reduce a number of root diseases in other plant species, into the production itinerary could form an integral part of an appropriate strategy. However, mycorrhizal effects against soil-borne pathogens are not always predictable and mechanisms behind the protective effects of mycorrhiza are largely unknown. In this context, mycorrhiza-induced resistance (MIR) was studied in P. hybrida in an inert soilless substrate, and the underlying mechanisms were investigated.After testing different soil-borne pathogenic fungi causing disease in petunia nursery production, Thielaviopsis basicola was selected as a model pathosystem. Three AM fungal species were evaluated for their ability to protect petunia against T. basicola; only Glomus mosseae BEG 12 turned out to reduce disease symptoms and pathogen spread in roots. Split root experiments showed that this protective effect was systemic and could be induced in non-mycorrhizal parts of mycorrhizal root systems, in agreement with previous studies in other plant pathosystems. The AM fungus, moreover, reduced the amount of phosphate fertiliser input fivefold, and provides tolerance against high salt concentrations in the horticultural substrate.In order to gain insight into molecular mechanisms involved in the MIR to T. basicola in petunia roots, hypotheses were tested by analysing the expression patterns of plant genes which are involved in various pathways of known plant defence responses. Nine genes related to the jasmonic acid pathway of induced systemic resistance (ISR) by plant growth promoting bacteria and three genes activated by salicylic acid, a key molecule in systemic acquired resistance (SAR), were selected. Expression profiles of these genes indicated that local MIR to T. basicola in petunia roots does not primarily involve either pathway, whilst systemic MIR in this pathosystem could include elements of both SAR and ISR. The activation of seven AM-related genes was unaffected by T. basicola infection of mycorrhizal petunia roots showing that the pathogen does not affect symbiotic functionality. Results suggest that the part of the symbiotic cell programme covering AM-regulated plant defence genes may constitutively contribute to the expression of local MIR; the role of such genes in this phenomenon merits further attention and analyses


  • Résumé

    Wurzelpathogene zeigen bedeutenden Einfluss auf die Produktion von Zierpflanzen. Vor Allem in erdelosen Produktionssystemen unter Glas verursachen sie erhebliche Verluste und ihre Bekämpfung mit konventionellen Mitteln beinhaltet normalerweise ein hoher Einsatz an Pestiziden. Ein mehr nachhaltiger Gartenbau braucht alternative Methoden, um den Eintrag dieser Chemikalien zu vermeiden. Die Einführung arbuskulärer Mykorrhizapilze (AM Pilze) in das Produktionssystem könnte ein integraler Bestandteil einer entsprechenden Strategie sein. Mykorrhizierte Pflanzen zeigen generell eine erhöhte Resistenz gegenüber bodenbürtigen Pathogenen und Nematoden. Der Erfolg einer solchen Strategie ist allerdings nicht immer vorhersagbar und die Mechanismen hinter den schützenden Effekten der Mykorrhiza sind weitgehend unbekannt.Die Zierpflanze Petunia hybrida, die von verschiedenen Wurzelpathogenen befallen wird, wurde als Modell eingesetzt, um die Mykorrhiza-induzierte Resistenz (MIR) in erdelosen Substraten zu untersuchen. Nach der Überprüfung unterschiedlicher bodenbürtiger pathogener Pilze, die Schäden in der Anzucht verursachen, wurde Thielaviopsis basicola als Pathosystem ausgewählt. Drei AM Pilzisolate wurden bezüglich ihrer Fähigkeit untersucht, Petunien gegen T. basicola zu schützen. Nur das Isolat Glomus mosseae BEG 12 konnte sowohl Krankheitssymptome, wie auch die Ausbreitung des Pathogens in der Wurzel reduzieren. Experimente mit geteilten Wurzeln zeigten in Einklang mit früheren Ergebnissen einen systemisch schützenden Effekt, der auch in den nicht-mykorrhizierten Anteilen eines ansonsten mykorrhizierten Wurzelsystems induziert werden konnte. Der AM Pilz reduzierte darüber hinaus den Bedarf an Phosphatdüngung um das Fünffache. Eine erhöhte Toleranz gegenüber hohen Salzkonzentrationen im Substrat konnte allerdings nicht erreicht werden.Um Erkenntnisse über die molekularen Mechanismen der MIR gegenüber T. basicola in Petunienwurzeln zu gewinnen, wurden durch Analyse von Expressionsmuster der bekannten Pflanzenverteidigung unterschiedliche Hypothesen überprüft. Neun Gene aus dem Jasmonatweg der durch pflanzenwachstumsfördernde Bakterien induzierten systemischen Resistenz (ISR) und drei durch Salizylsäure induzierte Gene der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) wurden ausgewählt. Die Expressionsprofile dieser Gene deuteten darauf hin, dass die lokale MIR keinen der beiden Signalwege mit einbezieht, während die systemische MIR sowohl Elemente der ISR wie auch der SAR einbindet.Die Aktivierung von sieben AM-regulierter Gene war von der T. basicola Infektion der Petunienwurzeln nicht betroffen, das Pathogen beeinträchtigt also nicht die symbiontischen Funktionen. Die Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass der Teil des Symbioseprogramms, der AM-regulierte Verteidigungsgene betrifft, zur MIR beiträgt. Die Rolle dieser Gene bei dem Phänomen bedarf weiterer Untersuchungen


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