Ecological role of mycotoxins produced by Fusarium graminearum : consequences of the presence of deoxynivalenol (DON) in crop residues on the soil microflora and soil fauna

par Muhammad Abid

Thèse de doctorat en Sciences de la vie

Sous la direction de Christian Steinberg.

Soutenue le 11-12-2012

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Environnements, Santé (Dijon) , en partenariat avec Agroécologie (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Sylvain Jeandroz.

Le jury était composé de Florence Forget, Pierre Mangin.

Les rapporteurs étaient Thierry Mateille, Corinne Leyval.

  • Titre traduit

    Rôle écologique des mycotoxines produites par Fusarium graminearum : conséquence de la présence de déoxynivalénol (DON) dans les résidus de culture sur la microflore et la faune du sol


  • Résumé

    Fusarium graminearum est un champignon pathogène des plantes, responsable de la fusariose de l'épi (plus connue sous le nom de Fusarium Head Blight : FHB) sur céréales, notamment sur le blé et le maïs. En interaction avec la plante, le champignon produit des mycotoxines, parmi lesquellse le déoxynivalénol (DON), dont la finalité pour le champignon producteur est méconnue mais qui sont toxiques pour les humains et les animaux. Ainsi la qualité des grains contribue fortement aux pertes de rendement observées et les résidus contaminés restent au champ. Une première revue bibliographique (Leplat et al 2012) a mis en évidence l'importance des résidus de culture (habitat écologique) pour la survie saprophyte du champignon, pour sa reproduction sexuée et pour l'établissement de l'inoculum primaire susceptible d'infecter la prochaine culture. Une seconde revue bibliographique a souligné les lacunes en ce qui concerne le rôle que les mycotoxines pourraient jouer dans la survie de F. graminearum dans un cet habitat. L'objectif principal de cette thèse était donc de vérifier si la présence de mycotoxines dans les résidus de récolte donne un avantage compétitif à F. graminearum vis-à-vis des composantes biotiques du sol et des résidus et notamment les champignons, les bactéries, les protozoaires, les nématodes et les vers de terre. L'impact du DON sur ces différentes communautés a été évalué dans des résidus de maïs et de blé, au champ et en microcosmes, en condition de labour et de travail superficiel du sol. Le développement de la maladie et ses conséquences sur le rendement ont été observés dans l'expérience de terrain à l'Unité Expérimentale de l'INRA de Dijon.Au cours de cette étude, la survie et les dynamiques de développement de la souche modèle d'étude F. graminearum MIAE00376 et des communautés fongiques et bactériennes ont été mesurées en utilisant la réaction de polymérisation en chaîne en temps réel (Q-PCR) ainsi que par comptage sur boîtes. Dans le même temps, l'évolution des structures des communautés microbiennes a été déterminée par analyse du polymorphisme de longueur des fragments de restriction terminaux (T-RFLP). Les nématodes et les vers de terre ont été quantifiés par extraction et observations à l'œil ou a la loupe binoculaire. Le DON introduit dans le sol et les résidus a été extrait et quantifié au cours du temps par chromatographie liquide haute performance (CLHP). Des dynamiques de population de la souche MIAE00376 associée à différents microorganismes isolés de paille en décomposition et sélectionnés pour leur résistance au DON, à des bactéries fixatrice d'azote et à des Fusarium sp. appartenant au complexe fongique du FHB ont été mesurées en microcosmes de paille en présence ou non de DONLes résultats suggèrent que le DON dans les résidus de culture a une incidence sur les composantes biotiques du sol, mais l'impact dépend des communautés et de la localisation des résidus (en surface ou incorporés dans le sol). La biomasse moléculaire montre que les densités bactériennes et fongiques ont été significativement affectées par la présence de DON. La présence de DON a joué un rôle significatif sur la structure des communautés bactériennes et protozoaires, plus faible sur les communautés fongiques et nul sur les nématodes voire positif sur les vers de terre.Il est conclu que le DON est rapidement inaccessible en profondeur et un peu moins rapidement en surface (immobilisation ou dégradation), qu'il ne confère pas d'avantage compétitif au champignon producteur et que la gestion de l'habitat privilégié que constituent les résidus de culture pour F. graminearum peut être envisagée par le travail du sol en favorisant la décomposition rapide des résidus, par le labour ou l'utilisation d'organismes décomposeurs indigènes ou introduits.


  • Résumé

    Fusarium graminearum is a plant pathogenic fungus, causing devastating disease “Fusarium head blight” (FHB) in cereals including wheat and maize. It also contaminates the grains with mycotoxins including deoxynivalenol (DON) which are toxic to human and animals. This disease has resulted in the serious losses in grain yield and quality. We established through a first bibliographic review that during off season fungus survives saprophytically on the crop residues (ecological habitat) and serves as primary inoculum for the next season crop. However, we noticed also that the literature was poor about the role mycotoxins could play in the establishment of F. graminearum in such a habitat. The main aim of this thesis was therefore to test whether the presence of mycotoxins in the crop residues gives an advantage to F. graminearum to survive and develop a primary inoculum in the presence of the whole soil biota including fungi, bacteria, protozoa, nematodes and earthworms. We studied the impact of DON on the soil communities in the field as well as in microcosms, in wheat as well as in maize residues under tillage and no-tillage conditions. The disease development and the yield were noted in the field experiment. Some DON resistant active fungal decomposers and nitrogen fixing bacteria were picked and the dynamics of F. graminearum was observed by accelerating decomposition of crop residue in their presence, in the presence or absence of DON.During this study, the dynamic and survival of F. graminearum and total fungal and bacterial communities were examined by using quantitative real time polymerase chain reaction (qPCR) as well as by plate counting. At the same time, the structures of microbial communities were determined by using terminal restriction fragment length polymorphism analysis (T-RFLP). The DON resistance of isolated fungal decomposers and nitrogen fixers was tested by using minimal inhibitory concentration test (MIC). Nematodes and earthworms were quantified through binocular observations. The fate of DON was determined by quantifying the mycotoxin by high performance liquid chromatography (HPLC).The results suggested that DON in crop residues showed an impact on the biotic components of the soil but the impact depended on the communities and on the location of the residues (on surface or incorporated in the soil). The molecular biomass shows that the fungal and bacterial densities were significantly affected by the presence of DON. The presence of DON played significant role on the structure of bacterial and protozoan community while the nematodes and fungal communities remained unaffected. MIC results showed that the susceptibility of some competitive fungal strains towards DON was dependent on the dose of mycotoxin. The earthworms (Lumbricus terrestris) were not affected by the presence of mycotoxin. The degradation of DON in the residues was dependent on the time, the location of residues and the soil biota. The quantification of F. graminearum suggested that the presence of DON gave no advantage in the survival and development of primary inoculum during the decomposition of crop residues in the soil. We conclude that fungal decomposers can be selected on their enzymatic potential towards organic matter more than on the DON resistance to increase the degradation of the straw left at the surface and limit the subsequent development of F. graminearum.


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  • Détails : 1 vol. (184 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.157-183

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TNSDIJON/2012/116
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