Adaptation du mildiou face aux résistances partielles de la vigne : Apports croisés de l'évolution expérimentale et de la génomique des populations

par Manon Paineau

Projet de thèse en Écologie évolutive, fonctionnelle et des communautés

Sous la direction de François Delmotte et de Frédéric Fabre.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences et environnements , en partenariat avec Santé et Agroécologie du VignoblE (laboratoire) depuis le 23-01-2019 .


  • Résumé

    Contexte scientifique et socio-économique Tout comme les bactéries s'adaptent aux antibiotiques, les champignons phytopathogènes s'adaptent aux gènes de résistance des plantes. Cette adaptation se traduit, au cours du temps, par une perte d'efficacité́ des résistances. Les mécanismes sous-jacent ont été bien étudié dans le cas des résistances qualitatives ; ils le sont beaucoup moins pour les résistances quantitatives (dites aussi partielles) (Poland et al., 2009 ; Mundt, 2014). Pour ces dernières, ce que l'on nomme également «érosion» des résistances, est liée à la sélection de souches d'agents pathogènes capables d'infecter les génotypes de plantes initialement résistants. Ce phénomène a été observé sur plusieurs pathosystèmes (e.g. blé/ Mycosphaerrella graminicola - Cowger et Mundt 2002 ; pomme de terre / Phytophthora infestans - Andrivon et al. 2007 ; hévéa / Microcyclus ulei - Le Guen et al. 2007). Etant donné l'importance des gènes de résistances partielles pour réduire l'utilisation des pesticides en agriculture, il est nécessaire de comprendre comment les agents pathogènes s'adaptent aux résistances partielles. L'analyse des questions posées par la gestion durable des résistances relève de la théorie de l'adaptation en environnement hétérogène (Ravigné et al., 2009). Elle pose des questions où interagissent les mécanismes de l'écologie et de l'évolution à plusieurs échelles temporelles et spatiales emboitées (de la plante hôte au paysage, dynamiques saisonnières et inter-annuelles). Ces questions gagnent à être abordées à la fois au laboratoire et en conditions naturelles et, dans les deux cas, à tirer parti des apports de la génomique (Giraud et al., 2017). Dans cette thèse, nous travaillerons sur l'adaptation du mildiou face aux résistances partielles de la vigne. Sur cette culture, malgré une diffusion encore restreinte des cépages résistants, l'adaptation de certaines souches de Plasmopara viticola est déjà avérée au vignoble (Delmotte et al. 2014 ; Delmas et al. 2016). Avec en moyenne 15 traitements phytosanitaires par an, la vigne est une des cultures les plus traités. La plupart de ces traitements (80%) ciblent deux maladies aériennes fongiques, le mildiou et l'oïdium. L'utilisation de cépages résistants à ces maladies est une nouvelle piste pour la viticulture en rupture avec le modèle traditionnel. En effet, les systèmes viticoles expérimentaux intégrant la résistance variétale permettent de réduire jusqu'à 90% l'utilisation des fongicides. Cette mutation de la viticulture soulève de nouvelles questions, la principale résidant dans la durabilité de ces systèmes. Dans cette perspective nous venons de séquencer le génome du mildiou de la vigne (Dussert et al. 2016) au laboratoire. Programme de la thèse La question générale de la thèse est celle de l'adaptation des agents pathogènes aux résistances partielles des plantes. Le candidat se focalisera sur deux séries de questions : 1-Quels compromis évolutifs entre variétés hôtes et, plus finement, entre traits d'histoire de vie du cycle infectieux, sous-tendent l'adaptation du mildiou de la vigne aux résistances partielles ? Cette question, explorée par une approche d'évolution expérimentale avec reséquençage, ciblera la phase asexuée de l'agent pathogène. En partant d'isolats « non adaptés », elle/il étudiera comment différents ratios de plantes sensibles/résistants représentant autant de paysages variétaux, affectent la dynamique d'évolution des principaux traits d'histoire de vie composant le cycle infectieux du mildiou. Nous mettrons en évidence des régions génomiques liées aux traits d'histoire de vie impliqués dans l'érosion des résistances. 2-Comment se fait la colonisation des parcelles de cépages résistants par le mildiou au vignoble ? En particulier, quelles tailles de goulets d'étranglements subissent les populations de mildiou lors de la colonisation de cépages résistants présentant des fonds génétiques différents. Cette question sera abordée au vignoble en analysant par génomique des populations des échantillonnages réalisés dans l'observatoire national du déploiement des cépages résistants (OSCAR - http://observatoire-cepages-resistants.fr/). Quatre cents isolats de mildiou seront collectés deux années consécutives dans deux zones géographiques où coexistent cépages sensibles et résistants. A l'aide d'une puce de génotypage (90K SNP), nous étudierons la diversité et la structure génétique des populations de mildiou au vignoble. Le goulet d'étranglement lié à l'effet fondateur résultant de la colonisation des plantes résistantes sera comparé entre les différentes modalités de l'échantillonnage (site, année, plante-hôte). Parallèlement, l'agressivité d'un sous-groupe d'isolats sera phénotypé vis-à-vis des hôtes sensibles et résistants sera évaluée afin d'identifier les zones du génome sous sélection (génomique d'association). Les données produites pendant la thèse serviront également à valider des modèles développés au sein de l'UMR SAVE dans le but d'accompagner le déploiement au vignoble des nouveaux cépages résistants. Collaboration Au cours de sa thèse, l'étudiant bénéficiera de collaborations actives avec l'Institut de Mathématiques de Bordeaux et avec la plateforme GeT (INRA Toulouse). References Andrivon D et al (2007) Phytopathology 97(3), 338-343. Cowger C, Mundt C.C (2002) Phytopathology 92(6), 624-630. Delmotte F et al (2014) Infection, Genetics and Evolution, 27, 500–508. Delmas CE et al (2016) Evolutionary Applications, 9, 709-725. Dussert Y et al (2016) Genome Announc 4(5):e00987-16. Giraud T et al (2017) Molecular Ecology, 26, 1703-1710. Le Guen V et al (2007) New Phytologist 173(2): 335-345. Poland J.A. et al (2009) Trends in Plant Sciences, 14, 16-22. Mundt C.C (2014) Infection, Genetics and Evolution, 14, 446-455. Ravigné V et al (2009) The American Naturalist, 174: E141-E169.

  • Titre traduit

    Adaptation of grapevine downy mildew to quantitative resistance genes: bridging together experimental evolution and population genomic approaches


  • Résumé

    Scientific and socio-economic backgrounds Just as bacteria can adapt to antibiotics, phytopathogenic fungi can adapt to plant resistance genes. This adaptation would, over time, result in a loss of resistance effectiveness. If the underlying mechanisms have been well studied for qualitative resistances, they remain largely unknown for quantitative (also termed partial) resistances (Poland et al., 2009; Mundt, 2014). For the latter, the so-called 'erosion' of resistances result from the selection of pathogen strains able to infect the initially resistant plants. It has been observed yet for several plant disease (e.g. wheat/ Mycosphaerrella graminicola - Cowger et Mundt 2002 ; potato / Phytophthora infestans - Andrivon et al. 2007 ; hevea / Microcyclus ulei - Le Guen et al. 2007). Given the major role of quantitative resistances to lower pesticide use in agriculture, it is important to to decipher how pathogens adapt to partial resistances. The theory of adaptation in heterogeneous environment (Ravigné et al., 2009) offer a natural framework to investigate the interplay between epidemiological and evolutionary dynamics at nested spatial scales (from plant to landscape, within-and between-season). These issues need to be addressed both with laboratories and fields studies, and will greatly benefit from recent advances in genomics (Giraud et al., 2017). This thesis will investigate the adaptation of grapevine downy mildew to quantitative resistance genes. The fear of a rapid erosion of grape resistances to downy mildew seems justified. Indeed, despite the limited deployment of resistant grape varieties, adapted strains of Plasmopara viticola have already been detected (Delmotte et al., 2014, Delmas et al., 2016). With an average of 15 phytosanitary treatments per year, grapevine is one of the most treated crops. Most of these treatments (80%) target two fungal aerial diseases, downy mildew and powdery mildew. The use of disease resistant grapevines is a new avenue for viticulture in breach with the traditional model. Experimental systems integrating plant resistance makes it possible to reduce the use of fungicides by up to 90%. This change in viticulture raises new questions, the main one being the sustainability of these systems. With this view, our laboratory just released the genome sequences of Plasmopara viticola (Dussert et al. 2016). PhD thesis program The main thesis question is to characterize the mechanisms and dynamic of adaptation of grapevine downy mildew to plant quantitative resistances. Specifically, two set of questions will be addressed: 1- What are the dynamics of pathogen adaptation to partial resistance, the pathogen life history traits involved and the genomic modifications underlying this adaptation? These questions will be investigated with experimental evolution using serial passages and resequencing. They will target the asexual reproduction phase of the pathogen life cycle. In the laboratory, starting from 'unadapted' isolates of Plasmopara viticola, she/he will study how different ratios of susceptible/resistant plants representing as many varietal landscapes impact the evolutionary dynamics of the main life history traits of the infectious cycle of the pathogen. Initial and final lineages will be re-sequenced to identify genomic regions driving the evolution of pathogen aggressiveness. 2-How downy mildew emerge on partially resistant grapevine recently introduced in the fields? Specifically, what bottlenecks sizes are undergone by downy mildew populations when colonizing partially-resistant cultivars with contrasted genetic backgrounds? This question will be addressed using population genomic approaches on samples collected from national monitoring network of resistant grapevine deployment (OSCAR - http://observatoire-cepages-resistants.fr/). Four hundred isolates of downy mildew will be collected on 3 grapevine cultivars (2 partially-resistant cultivars carrying different QTLs and a susceptible host), in two geographic areas and two successive years. Isolates will be genotyped using a common 90k SNP microarray. The bottlenecks size, linked to founder effects resulting from the colonization of resistant cultivars, will be estimated and compared across the modalities of the survey (geographic area, year, host plant). At the same time, the P. viticola isolates will be characterized for quantitative traits involved in aggressiveness. This approach will enable a genome-wide association study in order to detect candidate genes associated with quantitative pathogenicity traits. The data obtained during the PhD thesis will also be useful to validate mathematical models aiming to derive durable strategies of grape varieties deployment in vineyards. Collaboration The PhD student will benefit of ongoing collaborations with Bordeaux University (Institut de Mathématiques de Bordeaux) et GeT plateform (INRA Toulouse). References Andrivon D et al (2007) Phytopathology 97(3), 338-343. Cowger C, Mundt C.C (2002) Phytopathology 92(6), 624-630. Delmotte F et al (2014) Infection, Genetics and Evolution, 27, 500–508. Delmas CE et al (2016) Evolutionary Applications, 9, 709-725. Dussert Y et al (2016) Genome Announc 4(5):e00987-16. Giraud T et al (2017) Molecular Ecology, 26, 1703-1710. Le Guen V et al (2007) New Phytologist 173(2): 335-345. Poland J.A. et al (2009) Trends in Plant Sciences, 14, 16-22. Mundt C.C (2014) Infection, Genetics and Evolution, 14, 446-455. Ravigné V et al (2009) The American Naturalist, 174: E141-E169.