Mauch-Mani, Brigitte

2018, Ben Rejeb, Ines, Mauch-Mani, Brigitte

La tomate compte parmi les légumes-fruits les plus importants sur le plan économique dans plusieurs pays. Cependant la sécheresse, la salinité et le les pathogènes constituent les principales causes de réduction et de variabilité des rendements des cultures. Bien que les plantes aient développé des capacités défensives contre ces stress, leur tolérance et résistance dépend du degré et de l’intensité du stress et aussi de l’espèce. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle de l’acide β-aminobutyrique (BABA) dans l’induction de la résistance contre le stress hydrique, le stress salin et la combinaison de salinité et infection avec Botrytis cinerea chez deux cultivars de tomate (cv Marmande : un cultivar résistant au stress et cv Cœur de Bœuf : un cultivar sensible au stress). Nos résultats ont montré que BABA atténue considérablement les effets nocifs d’un seul stress et aussi des stress combinés. Les plants de tomate sous contrainte hydrique ou saline, traités avec BABA accumulent plus de chlorophylle a et b, anthocyanine, ABA et montrent aussi une induction des gènes reliés au stress abiotique comparé aux plants non-traités. Nous avons trouvé une réduction des espèces réactives d’oxygène qui sont liées à une augmentation des antioxydants plus importante chez les plants traités avec BABA par rapport aux plants non-traités. Ce qui nous a surpris c’est que BABA induit plus de tolérance au cv Marmande qu’au cv Cœur de Bœuf. De plus, les plants traités avec BABA présentent une meilleure résistance contre la combinaison des deux stress par rapport aux plants non-traités suite à l’induction de l’accumulation de callose, d’H₂O₂, d’ABA, de SA et aussi l’expression de PR1 et PR5. Ceci ouvre de nombreuses perspectives quant à l’effet de BABA sur les métabolites., Tomatoes are among the most produced and consumed vegetable-fruit in many countries and is considered an economically important crop. However, drought, salinity and pathogen infection are the main causes of crop yield reduction and variability. Although plants have developed defensive capacities against these stresses, but plant tolerance and resistance depend on the degree and intensity of stress and on the species. In this thesis, we investigated the role of β-aminobutyric acid (BABA) in the induction of tolerance and resistance against drought stress, salt stress and combination of salinity and infection with Botrytis cinerea in two tomato cultivars (cv Marmande: a stress-resistant cultivar and cv Coeur de Boeuf: a stress-sensitive cultivar). Our results showed that BABA significantly reduces the harmful effects of a single and combined stress. Treated tomato plants with BABA in response to drought or salt stress accumulate more chlorophyll a and b, anthocyanin, ABA and genes related to abiotic stress compared to non-treated plants. We found a reduction in reactive oxygen species that are related to greater increase of antioxidant in treated-plants with BABA compared to non-treated ones. What surprised us is that BABA induces more tolerance to Marmande than to Coeur de Boeuf. In addition, plants treated with BABA show better resistance against the combination of both stresses compared to non-treated plants by induction of callose accumulation, H₂O₂, ABA, SA and the expression of PR1 and PR5. This opens many perspectives on the effect of BABA on metabolic study.

2010, Boachon, Benoît, Mauch-Mani, Brigitte

Dans la nature les plantes sont soumises à de nombreuses attaques de l’environnement tel que stress biotiques (Insectes, microorganismes pathogènes…) et abiotiques (Sècheresse, froid…). Cependant les plantes disposent de mécanismes de défenses naturelles complexes. En agriculture, malgré les efforts des sélectionneurs pour obtenir des variétés de plantes cultivées résistantes, les pertes de récoltes dues aux agents pathogènes restent très importantes. Les agriculteurs protègent leurs cultures à l’aide de produits phytosanitaires non sans soulever de nombreux problèmes sanitaires et environnementaux. Certaines molécules, appelées éliciteurs permettent de stimuler les défenses des plantes tandis que les agents primant tel que le BABA (acide β-aminobutyrique) permettent aux plantes de se préparer à mieux se protégèrent en cas d’attaques. La caractérisation des mécanismes de défenses des plantes ainsi que des mécanismes de virulence des pathogènes représente un enjeu important afin d’aborder la protection des plantes sous un autre angle.
Le but de ce travail de thèse a été d’aborder la recherche en phytopathologie moléculaire et les interactions plantes/pathogènes. Dans un premier temps, des outils de biologie moléculaire basés sur les réactions de polymérase en chaine en temps réel ont été développés afin de mesurer chez la plante modèle Arabidopsis thaliana la croissance de plusieurs microorganismes pathogènes ainsi que de mesurer les réponses de défense des plantes. Dans un deuxième temps ces méthodes ont été mises à contribution afin de disséquer les interactions de signalisation hormonale s’établissant lors de l’infection d’Arabidopsis par la bactérie pathogène Pseudomonas syringae. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre comment les bactéries, par le biais de leurs mécanismes de virulence, réduisent la mise en place des défenses naturelles des plantes par un jeu complexe de signalisation hormonale. Cette stratégie de virulence bactérienne peut être contournée en préparant les plantes à mieux se défendre avec l’utilisation d’agents primant tel que le BABA qui permet de rétablir les défenses naturelles des plantes en cas d’attaques.

2017, Martin, Charlotte, Mauch-Mani, Brigitte, Mascher, Fabio

La fusariose de l’épi est une des principales maladies des céréales, causée par les pathogènes du genre Fusarium. Elle engendre des pertes de rendement conséquentes ainsi que la contamination des grains en mycotoxines. Nocives pour la santé humaine et animale, ces toxines représentent une menace reconnue pour la sécurité alimentaire. L’utilisation de variétés résistantes permet de réduire considérablement les épidémies de fusariose. Dans toutes les céréales, cette résistance est cependant un caractère complexe et difficile à sélectionner. Il faut pour cela disposer à la fois d’une évaluation détaillée de l’impact de l’infection sur la plante, et d’une connaissance parfaite des mécanismes de résistance. Or, l’étude de la fusariose et de la résistance s’est principalement concentrée sur le blé, au détriment des autres céréales. Pour l’avoine particulièrement, la fusariose a été négligée longtemps et l’amélioration de la résistance est devenue une priorité pour lutter contre le nouveau risque sanitaire lié aux toxines de F.poae et F.langsethiae. Les travaux de sélection s’intéressent également de près aux composés bénéfiques pour la santé (CBS) présent dans les grains. En effet, les grains de blé contiennent des antioxydants dont les anthocyanes et les grains d’orge et d’avoine sont des sources reconnues de β-glucanes. Or, plusieurs CBS ont montré qu’ils pouvaient inhiber la croissance et la production de toxines des Fusarium en conditions in vitro, laissant ainsi suggérer qu’ils pourraient contribuer à la résistance contre la fusariose in planta.
L’objectif de cette thèse est de comprendre comment les grains de blé, d’orge et d’avoine se protègent contre les Fusarium. Le rôle des CBS dans la résistance des grains est étudié. Une première étude préliminaire nous a permis de comprendre les variations d’agressivité des pathogènes Fusarium au sein d’une population. Nous avons démontré que l’agressivité est liée au chémotype de la souche, est surtout conditionnée par l’environnement, mais n’est pas impactée par la résistance de l’hôte. Ces observations ont été essentielles pour la mise en place des infections artificielles au champ, ainsi qu’à l’aide à l’interprétation des résultats dans les essais suivants. Une deuxième étude nous a confirmé que les CBS peuvent contribuer in vivo à la résistance in vivo contre la fusariose. Nous avons en effet observé qu’au sein d’un large panel de variétés de blé, les plus résistantes contenaient, dans leurs épillets, les teneurs les plus élevées en acide férulique, principal antioxydant des céréales. Suite à ces résultats, les impacts de la fusariose, les éléments de résistance et la contribution de différents CBS ont été successivement étudiés dans les grains de blé, d’orge et d’avoine. Nous avons observé que le grain de blé possédait la résistance la plus complète pour lutter contre tous les dégâts que la fusariose peut causer, de la malformation des grains à l’accumulation de toxine deoxynivalénol (DON) produit par F.graminearum. Nous avons démontré qu’il peut également se prémunir contre la dégradation de ses composants, de sa qualité et de ses activités de synthèse. Les infections de F.graminearum dans le grain d’orge provoquent en plus d’une contamination en DON, des dégradations de la structure et de la composition du grain, notées entres autres par des réductions des teneurs en β-glucanes. Le grain d’orge possède des éléments de résistance distincts pour lutter indépendamment contre l’infection et contre l’accumulation en toxines. L’infection du grain d’avoine par F.poae et F.langsethiae a conduit à des contaminations en toxines, parfois sévères, sans causer aucun autre dégât ou symptôme. En comparaison avec le blé et l’orge, l’avoine possède un faible niveau de résistance contre ces contaminations. De plus, nos résultats suggèrent que la résistance d’une variété d’avoine dépend de la toxine en présence.
Le rôle des CBS dans la résistance des grains dépend du composé. Nos résultats montrent que les teneurs élevées en β-glucanes réduisent l’accumulation de toxines dans les grains d’orge, alors que les anthocyanes du grain de blé n’influencent pas la résistance. Dans le grain d’avoine, les contaminations en toxines ne sont pas modulée par les teneurs en β-glucanes, des augmentations de ces teneurs ont cependant été observées dans les grains les moins contaminés en toxine nivalénol.
En conclusion, les grains de blé, d’orge et d’avoine se protègent différemment contre la fusariose. La stabilité et l’héritabilité de la résistance est la plus élevée dans le blé, ce qui laisse présager d’un plus fort gain génétique dans la sélection de la résistance dans cette céréale que dans l’orge ou l’avoine. Par ailleurs nous avons démontré que si certains CBS intervenaient dans la résistance, augmenter leurs teneurs dans les grains ne permettra pas de limiter de façon significative les dégâts causés par la fusariose. Cela permettrait cependant le développement nouvelles variétés à la fois plus bénéfiques pour la santé et résistantes aux toxines., Fusarium head blight FHB is one of the main cereal disease. FHB is caused by the complex of Fusarium pathogens and results in significant yield losses and contamination of grain with mycotoxins. These toxins constitute a substantial risk to human health and a threat for food safety. The most dominant toxin is deoxynivalenol (DON), produced by F.gramineraum. The use of resistant varieties is the most sustainable way to control disease outbreaks and damages. In all cereals, resistance is a complex character, based on cumulative effects of many elements and so, difficult to select. An accurate assessment of all the impacts of Fusarium infection on plants and a perfect knowledge of resistance mechanisms are both necessary to breed resistant varieties. Yet, previous resistance studies of FHB and of resistance elements were mainly focused on wheat. For oats in particular, FHB is an emerging issue, and efficient resistance is now required to face the increasing occurrence of F.poae and F.langsethiae and their highly noxious toxins. Besides FHB resistance, breeding programs are now focusing more and more on nutritional values and the increase of Health Promoting Compounds HPC in cereal grains. Indeed, wheat grains can contain high amounts of antioxidants including anthocyanin compounds, barley and oat grains are sources of β-glucan. Interestingly, several cereal endogenous HPCs shown inhibitive effects on Fusarium growth and toxin synthesis in vitro conditions, hence suggesting they could contribute to FHB resistance in planta.
The aim of this thesis is to understand how the wheat, barley and oat grains protect themselves against Fusarium pathogens. The role of several HPC in resistance was investigated. A first preliminary study allowed us to understand the variability of the aggressiveness of Fusarium strains. We demonstrated that strain aggressiveness is related to the chemotype. Aggressiveness is mainly conditioned by the environment and not impacted by the resistance of the host. These observations have been necessary for both optimizing artificial inoculations in our field tests and interpreting the results of subsequent experiments. In a second study, we confirmed that CBS can contribute to FHB resistance in vivo. Indeed, we observed that, within a large panel of wheat genotypes, the most resistant varieties contained the highest contents of ferulic acid in the flower tissues. Following these results, the impact of FHB, the resistance elements and the contribution of different HPC in resistance have been successively studied in grains of wheat, barley and oat. For these studies, panels of wheat, barley and oat varieties have been artificially infected with Fusarium pathogens in different field tests across Switzerland. We observed that wheat grain displays the most complete resistance to protect itself against FHB damages DON accumulation and grain deformation. We have detected a novel resistance type that preserves the constituents and the baking quality of the grain. In barley grains, besides significant DON contamination, infections of F.graminearum caused damages on grain structure and composition. In particular, infection reduced the concentration of β-glucan in the grain. We demonstrated that the barley grain has distinct resistance elements to protect itself against fungal infection and toxin accumulation. In oat, we observed that both F.poae and F.langsethiae infections result in severe toxin contaminations, without any other symptoms or visual damages on the plant or the grain. Among the tested varieties, none was able to avoid contaminations. Our results suggest the presence of distinct resistance elements operating against the different Fusarium toxins.
The role of HPC in resistance depends on the compound. Our results show, that β-glucans reduce the mycotoxin charge in barley grains, while anthocyanins do not influence the resistance of wheat grains. In oat grain, accumulation of toxin was not modulated by β-glucans, yet increases of β-glucan contents were observed in grains resistant to nivalenol contamination.
To conclude, wheat, barley and oat protect themselves against Fusarium pathogens deploying different resistance mechanism. The stability and elevated heritability of resistance highlights the highest genetic gain that can be expected when selecting wheat for FHB resistance than in barley or oat. We demonstrated that if some HPC partially enhance grain resistance, enhancing HPC contents in grains will not drastically limit the threat associated with mycotoxins. However, it allows to develop new varieties that combine elevated HPC content and resistance to toxins.

2005, Hamiduzzaman, Mollah Md., Mauch-Mani, Brigitte

Plants respond to pathogen attack by activating signaling networks based on molecules such as salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) followed by the accumulation of pathogenicity-related proteins, phytoalexins and other defense compounds. We used ß-aminobutyric acid (BABA), a non-protein amino acid to induce resistance in grapevine (Vitis vinifera) against downy mildew (Plasmopara viticola) and investigated the possible mechanisms responsible for the observed protective effect. Sporulation of P. viticola was reduced in BABA-treated seedlings as well as in leaf discs in both a susceptible variety (Chasselas) and a resistant variety (Solaris). Comparing different inducers, the best protection was achieved with BABA followed by JA, while BTH and abscisic acid (ABA) did not significantly increase the resistance. The potentiated accumulation of callose and lignin in BABA-treated plants was decreased by the co-application of DDG (an inhibitor of callose production) and AIP (an inhibitor of phenyl alanin ammonium lyase) respectively. PR-1, a marker gene for the SA pathway was expressed in both water and BABA-treated leaf discs, whereas PR-4 and LOX-9, markers for the JA pathway, showed potentiated expression in BABA-treated plants following P. viticola infection. Expression of PR-4 and LOX-9 in BABA-treated plants was decreased by the co-application of ETYA (a LOX inhibitor). The older, necrotic leaves as well as leaves infected with powdery mildew (Uncinula necator) accumulated defense-related genes in grapevine. Necrosis was observed in BABA-treated plants following infection with P. viticola. Accumulation of different phenolics and stilbenes in BABA-treated plants increased with time following infection. In the inoculation zones of leaf discs, accumulation of trans-resveratrol was much higher in BABA-treated than in control plants following infection. Outside of the inoculation zone accumulation levels of stilbenes were low. In seedlings, however, accumulation of trans-resveratrol was primed in both necrotic and non-necrotic zones, while trans-epsilon-viniferin was only primed in necrotic zones of BABA-treated plants. Furthermore, expression of the stilbene synthase gene (STS-1) was also higher in JA-treated plants than in BTH- and ABA-treated plants. The induction of STS-1 was observed in BABA-treated plants upon infection. Our results suggest that BABA-induced resistance (BABA-IR) involves priming of the JA signal transduction pathway and leads to a potentiated accumulation of callose, lignin, resveratrol and viniferins in grapevine following infection with downy mildew.

2013, Planchamp, Chantal, Mauch-Mani, Brigitte

To protect themselves against biotic and abiotic stresses, plants have developed a broad range of defense mechanisms that are constitutively present or that can be induced in response to a stress. Such induced defense can be the result of a resistance elicitation by non-pathogenic organisms that are present in soil and is then called induced systemic resistance (ISR). ISR confers plant resistance against a large variety of attackers such as pathogens and herbivores. In monocotyledonous plants this phenomenon has been less studied than in dicots such as Arabidopsis. Hence, the aim of this thesis was to enhance our knowledge on ISR in monocots and more specifically in maize plants.
To facilitate plant root manipulation for our experiments, we established a soil-free system for growing maize plants. Based on an existing system for root observation, we adapted a system that is convenient for working with beneficial as well as pathogenic microbes.
ISR establishment necessitates the local recognition of the beneficial microbe by the plant. Thus, we studied the reaction of maize after inoculation with a well-known maize colonizer rhizobacterium Pseudomonas putida KT2440. The presence of these bacteria activated plant immunity early in the interaction. We hypothesized that KT2440 manipulates root defense to be able to colonize roots. We observed that KT2440 had a beneficial effect on plant growth, showing their capacity to be a plant growth promoting rhizobacteria.
After analyzing the local plant response to KT2440 inoculation we tested the efficiency of KT2440 to induce a systemic defense against various types of attacks. We demonstrated that ISR triggered by KT2440 was efficient against an hemibiotrophic fungus, Colletotrichum graminicola, and a generalist herbivore, Spodoptera littoralis. However, the efficacy of ISR induced by KT2440 was dependent of the host-plant specialization of the leaf herbivores as ISR triggered by KT2440 did not affect the specialist S. frugiperda. Our transcript and metabolite analyses revealed the involvement of phenolic compounds as well as ethylene-dependent signaling in maize ISR. However, mechanisms involved in ISR induced by KT2440 in maize remain to be further investigated.

, Balmer, Dirk, Mauch-Mani, Brigitte

The hemibiotrophic fungus Colletotrichum graminicola causes devastating anthracnose on maize (Zea mays) and is responsible for annual losses of up to 1 billion dollars in the U.S. A key factor for its success is the capability to infect different plant organs. The predominant symptoms are leaf blight and stalk rot, but C. graminicola also infects roots. The vast majority of phytopathological studies were conducted on aerial disease stages, and only little is known about belowground defense responses. Moreover, most studies on antifungal resistance focus on either above- or belowground immune systems. Thus, this thesis investigated the local and systemic organ-specific interactions of maize and C. graminicola.
Firstly, a soil-free plant growth system was developed, allowing non-destructive in vivo observations of C. graminicola infection strategies on maize roots. This system consists of pouches containing nutrient-soaked filter paperwhich supplies the plants with nutrients adapted to the host.
Secondly, local and systemic molecular and chemical changes upon C. graminicola attack on maize leaves and roots were investigated. Distinct gene expression patterns in leaves and roots were found, in agreement with different dynamics of phytohormone induction. In roots defense-related genes were induced faster than in leaves, and roots also exhibited higher hormone levels upon infection. Local leaf and root infections triggered leaf-leaf and root-leaf systemic transcriptional and hormonal adaptations, including the induction of defense-related genes and hormones. Interestingly, local leaf and root infection also resulted in a systemic resistance against C. graminicola in distal leaves. Performing metabolomic fingerprinting, several local and systemic organ-specific compounds were identified, which could serve as chemical arsenal during antifungal immunity in maize.
Thirdly, the organ-specific microRNA (miRNA) transcriptome of maize during C. graminicola infection was examined. Several miRNAs were identified which are specifically induced or downregulated in fungal infected shoots or roots, but not upon challenge with the herbivore Spodoptera frugiperda. Some of those miRNAs target defense-related genes, thus miRNAs might play an important role in organ-specific antifungal defense.
In conclusion, exploiting organ-specific plant defense might be a prominent target for future crop enhancing programs.