Detoxification of mycotoxins as a source of resistance to Fusarium Head blight : from Brachypodium distachyon to Triticum aestivum

par Miriam Gatti

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Marie Dufresne.

Le président du jury était Juergen Kroymann.

Le jury était composé de Marie Dufresne, Juergen Kroymann, Paul Nicholson, Antonio Moretti, Cyrille Saintenac.

Les rapporteurs étaient Paul Nicholson, Antonio Moretti.

  • Titre traduit

    Détoxication des mycotoxines comme source de résistance à la fusariose des épis : de l’espèce modèle Brachypodium distachyon à la céréale cultivée, Triticum aestivum


  • Résumé

    La fusariose des épis, causée majoritairement par le champignon pathogène Fusarium graminearum (Fg), est une des principales maladies du blé tendre (Triticum aestivum). Pendant son cycle infectieux, l’agent pathogène produit des mycotoxines appartenant principalement aux trichothécènes de type B, tel que le déoxynivalénol (DON), qui sont toxiques pour l’homme et l’animal. Plusieurs loci à caractère quantitatif (QTLs) impliqués dans la résistance à la fusariose des épis ont été identifiés. Certains ont été corrélés avec une détoxication de la mycotoxine, principalement par conjugaison du DON en DON-3-O-glucose (D3G), une réaction enzymatique catalysée par des UDP-glucosyltransferases (UGT). Néanmoins, peu d’études ont conduit des analyses fonctionnelles dans des plantes hôtes de la maladie afin de relier directement la glucosylation de la mycotoxine avec la résistance à la maladie in planta, et aucune d’entre elles n'a été effectuée sur des gènes de détoxication du blé tendre. Notre équipe, à l'aide de la céréale modèle Brachypodium distachyon, a démontré que l'UGT Bradi5g03300 est capable de conférer une tolérance au DON par glucosylation en DON 3-O-glucose et qu’elle est impliquée dans l'établissement précoce d'une résistance quantitative à la fusariose des épis. Le présent travail avait pour objectif de transférer les analyses fonctionnelles menées sur la céréale modèle Brachypodium distachyon au blé tendre. Dans une première approche, le gène Bradi5g03300 a été introduit dans la variété de blé Apogée, sensible à la fusariose. Les analyses phénotypiques effectuées sur les lignées de blé transgéniques exprimant constitutivement le gène Bradi5g03300, montrent une résistance plus élevée à la maladie ainsi qu'une tolérance à la mycotoxine par rapport à la lignée contrôle. Parallèlement, en utilisant une approche de synténie entre les génomes de B. distachyon et du blé tendre, nous avons identifié un gène de blé, orthologue au gène Bradi5g03300.La transformation de l’écotype de B. distachyon sensible à la fusariosepar ce gène candidat a été effectuée pour déterminer rapidement sa capacité à conjuguer le DON in planta et son implication dans la résistance à la fusariose. En conclusion, ce projet contribue à accroître les connaissances concernant la relation fonctionnelle entre la glucosylation DON et la résistance à la fusariose dans le blé tendre et à fournir des gènes candidats à inclure dans les processus de sélection.


  • Résumé

    Fusarium head blight (FHB) caused by fungi of the Fusarium genus is a widespread disease of wheat (Triticum aestivum) and other small-grain cereal crops. The main causal agent of FHB, Fusarium graminearum, can produce mycotoxins mainly belonging to type B trichothecenes, such as deoxynivalenol (DON) that can negatively affect humans, animals and plants. Several quantitative trait loci (QTLs) for resistance to FHB have been identified some of which have been correlated with efficient DON detoxification, mainly through the conjugation of DON into DON-3-O-glucose (D3G), a reaction catalyzedby UDP-glucosyltransferases (UGTs). Nevertheless, only few studies have conducted functional analyses to directly correlate DON glucosylation and resistance in planta and none were performed on wheat UGT gene(s). Our team, using the model cereal species Brachypodium distachyon, has recently demonstrated that the Bradi5g03300 UGT is able to confer tolerance to DON following glucosylation of DON into DON 3-O-glucose and is involved in the early establishment of quantitative resistance to FHB. In the present work, we transferred the functional analyses conducted on the model species Brachypodium distachyon to bread wheat. In a first approach the B. distachyon Bradi5g03300 gene has been introduced through biolistic-mediated transformation in the wheat variety Apogee, susceptible to FHB. The phenotypic analyses conducted on homozygous transgenic wheat constitutively expressing the Bradi5g03300 gene showed that they exhibit higher resistance to FHB as well as increased root tolerance to DON compared to the control line. In parallel, using a synteny approach between B. distachyon and bread wheat genomes we identified a wheat candidate gene orthologous to the B. distachyon Bradi5g03300 gene. This wheat gene after validation through gene expression pattern during wheat infection, was introduced by transformation into B. distachyon to rapidly determine its ability to conjugate DON into D3G in planta and its involvement in FHB resistance. In conclusion, this project contributes to increase the knowledge concerning the functional relationship between DON glucosylation and FHB resistance in wheat and provide candidate genes to include in selection processes.


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