Résultat de la recherche
Deciphering the multifaceted determinants of esca incidence across a vineyards network
Dans le cas de maladies complexes comme le dépérissement des arbres, où de multiples facteurs sont impliqués et difficiles à isoler, la compréhension des relations entre les facteurs biotiques et abiotiques est un défi. Garantir la santé des cultures pérennes pour une rentabilité durable est une préoccupation majeure en raison de la multitude des menaces et des pertes économiques qui en découlent. À partir de la fin des années 1980, les vignobles existants ont connu une baisse des rendements et une augmentation de la mortalité des plantes attribuée à l'émergence de maladies vasculaires fongiques influencées par des facteurs pédoclimatiques. La maladie de l'esca est l'une des maladies vasculaires les plus dévastatrices en Europe menaçant la vigne. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension de la nature multifactorielle du dépérissement de l'esca. Cela grâce à l'analyse des communautés fongiques de la plante qui permet d’évaluer la contribution des facteurs microbiens avec l'apparition et la progression des symptômes de dépérissement ainsi que par l'évaluation de facteurs pédoclimatiques liés à l'incidence de l'esca. Pour atteindre ces objectifs, nous avons travaillé sur un réseau de vignobles planté avec le même cépage (Gamaret) avec des plantes du même âge pour réduire les facteurs confondants, notamment l’incidence de la variabilité de la sensibilité de l'hôte déjà observée. Nous avons analysé les différences dans la composition des communautés fongiques des troncs de vignes affectés à des degrés divers par l'esca. L'analyse du mycobiome du tronc de vigne a révélé une communauté fongique remarquablement diversifiée avec une faible différenciation au niveau du vignoble ou de la région. Nous avons constaté une surreprésentation de plusieurs taxons dans les plantes asymptomatiques ; cependant, aucun taxon n'était surreprésenté dans les plantes symptomatiques. Les taxons clés typiquement impliqués dans l'esca ne présentaient pas non plus d'association significative avec l'état de santé des plantes. Parallèlement, nous avons collecté des données épidémiologiques et physiologiques une fois par an pendant quatre années consécutives dans le réseau des vignobles étudiés. Nous avons comparé les données épidémiologiques sur l'incidence de l'esca avec les données climatiques obtenues à partir des stations météorologiques, ainsi que certains indicateurs physiologiques (poids des baies et du bois, δ 13C, analyses de la composition chimique des feuilles et des moûts) pour les comparer avec l'incidence mesurée de l'esca. Nous avons identifié une corrélation positive entre la capacité de rétention de l'eau du sol et la quantité de précipitations au début de l'été et l'incidence de l'esca. ABSTRACT In complex diseases like tree decline, where multiple factors are involved and difficult to isolate, understanding the relationships between biotic and abiotic factors is a challenge. Ensuring the ongoing health of perennial crops for sustained profitability remains a significant concern due to the multitude of threats and associated economic losses. From the late 1980s onwards, established vineyards experienced a decline in yields and an increase in plant mortality attributed to the emergence of fungal vascular diseases influenced by pedoclimatic factors. Esca disease is among the most devastating vascular disease in Europe threatening grapevine. Symptoms are expressed at two levels: i) in the wood by different levels of necrosis and the presence of brown longitudinal bands or cankers; ii) in the leaves by leaf discoloration with a "tiger stripe" pattern. This thesis aims to improve our understanding of the multifactorial nature of esca dieback through the analysis of the plant mycobiome offering insights into potential microbial contributions to the onset and progression of dieback symptoms and through the evaluation of pedo-climatic factors linked with esca incidence. To achieve these objectives, we worked on a network of vineyards all planted with the same grape variety (Gamaret) with plants of the same age to reduce confounding factors, including the variability in host susceptibility already highlighted. We aimed to test for compositional differences in trunk inhabiting fungal communities in vineyards affected to varying degrees by esca. The analysis of the vine trunk mycobiome revealed a remarkably diverse fungal community with weak differentiation at the vineyard of regional level. We found overrepresentation of several taxa in asymptomatic plants; however, no taxa were overrepresented in symptomatic plants. Key taxa typically implicated in esca were also not showing any significant association with plant health status. In parallel, we collected epidemiological and physiological data once a year for four consecutive years in the network of studied vineyard. We compared epidemiological data on the incidence of esca with climatic data obtained from weather stations, as well as certain physiological indicators (berry and wood weights, δ 13C, analyses of the chemical composition of leaves and musts) to compare them with the measured incidence of esca. We identified a positive correlation between soil water retention capacity and the amount of precipitation in early summer and the incidence of esca.
Tracking evolutionary dynamics within the fungal wheat pathogen "Zymoseptoria tritici"
Français Les champignons pathogènes sont de nature très diverse et peuvent poser de graves risques par le biais d'infections simples ou mixtes à la production alimentaire mondiale. Le contrôle des cultures est basé sur l'utilisation de produits chimiques synthétiques ainsi que la sélection de plantes résistantes. Cependant, les pathogènes fongiques des plantes surmontent rapidement les deux stratégies. Lors de co-infections, les phytopathogènes peuvent augmenter la sévérité de la maladie et modifier l'évolution de la virulence des génotypes co-infectants. Par conséquent, les outils de surveillance permettant une meilleure détection des agents pathogènes des cultures ainsi que la compréhension de l'impact des événements de co-infection sur la gravité de la maladie ne sont pas toujours efficace. De plus, nous manquons encore d'informations sur la base génétique responsable de l'évolution de la virulence et de la résistance aux fongicides au fil du temps. Dans cette thèse de doctorat, J’ai concentrés sur le développement d'un outil de surveillance pour tracer l'évolution de la virulence et de la résistance aux fongicides chez le pathogène fongique du blé Zymoseptoria tritici à l'aide de différents outils moléculaires et génomiques. Ici, j’ai développé un outils de génotypage pour multiplexer plusieurs locus ciblant les gènes de virulence et de résistance aux fongicides, et des marqueurs sélectionnés au hasard à l'échelle du génome. Plus d'une centaine de types d'échantillons ont été utilisés pour évaluer la bonne performances de mon outil. Cela a ensuite permis une amplification précise de tous les locus conçus et a bien fonctionné quel que soit le type d'échantillon. J’ai également exploré les conséquences d'interactions mixtes à l'intérieur et à l'extérieur de la plante hôte en utilisant un échantillon de grande taille pour fournir une image plus approfondie des conséquences de ces interactions sur la gravité de la maladie de plante ainsi que sur le changement de virulence et de croissance. J’ai constaté que la cinétique de croissance et la virulence dans les interactions simples s'écartaient de celles observées lors des interactions mixtes, indiquant une preuve d'exclusion compétitive entre les souches conspécifiques. De plus, les résultats étaient divergents à l'intérieur et à l'extérieur de la plante hôte, ce qui indique que le système immunitaire de la plante pourrait jouer un rôle clé dans la modulation des conséquences de l'interaction mixte à l'intérieur de la plante et ajoute une complexité significative. Enfin, j'ai utilisé un grand jeux de donnée de la population mondiale de Z.tritici pour étudier les éléments transposables situés à proximité d'importants locus de gènes de virulence et de résistance aux fongicides permettant de comprendre l'histoire évolutive du pathogène dans le monde ainsi que d’établir de meilleures stratégies de protection de cultures. J’ai identifié un nombre considérable d'éléments transposables appartenant à différentes familles et superfamilles. J’ai également détecté des insertions récentes représentées par des insertions uniques. Dans l'ensemble, cette thèse de doctorat permet le traçage des génotypes de Z.tritici nouvellement évolués et de comprendre la base génétique médiant leur évolution. En outre, fournir des informations sur les conséquences des interactions mixtes sur la gravité de la maladie et sur la manière dont elles peuvent façonner le changement de virulence et la capacité de croissance des champignons phytopathogènes.
Unraveling the microbial matrix : high-resolution profiling of synergistic and antagonistic forces shaping the crop microbiome
Plants host diverse yet taxonomically structured communities of microorganisms. These microorganisms colonize every accessible plant tissue, influencing both plant growth and health. There is substantial interest to exploit beneficial members of plant microbiomes for new sustainable management strategies in crop production. However, our understanding of these interactions in field conditions, particularly at the species and strain level, is still limited. Moreover, microbial pathogens can rapidly adapt to changing environments such as the application of pesticides or host resistance. This thesis offers a comprehensive perspective on the genetic mechanisms of pathogen adaptation and the dynamics of microbial communities in crop plants, providing a high-resolution view of strain-specific microbial interactions that shape plant health. Mapping microbial genomic variation at the strain level in environmental samples has posed a significant challenge in the field. This thesis addresses this challenge through two interconnected and complementary approaches. The first approach involves wholegenome sequencing and comprehensive structural variant analysis of a large fungal pathogen population to detect genomic signatures indicative of recent adaptation. We examined how Rhynchosporium commune, a major fungal pathogen of barley, has adapted to the host environment and fungicide applications. We screened the genomes of 125 isolates from diverse global populations and identified 7879 gene duplications and 116 gene deletions, primarily resulting from segmental chromosomal duplications. While Copy Number Variations (CNVs) are usually under negative selection, we observed that genes impacted by CNVs are overrepresented in functions related to host exploitation, such as effectors and cell wall-degrading enzymes. We conducted genome-wide association studies (GWAS) and identified a large segmental duplication of the Cytochrome P450 Family 51 gene (CYP51A) that contributed to the emergence of azole resistance and a duplication encompassing an effector gene affecting virulence. We demonstrated that the adaptive CNVs were likely created by recently active transposable element families. Furthermore, we found that specific transposable element families are significant drivers of recent gene copy-number variation. Collectively, these findings demonstrate how extensive segmental duplications provide the raw material for recent adaptation in global populations of a fungal pathogen. The second method leverages whole-genome sequences to construct pangenomes, facilitating the creation of taxon-specific amplicons. These amplicons allow us to monitor strain diversity in the field and to build co-occurrence networks that reveal synergistic and antagonistic interactions between strains. Specifically, we developed and validated a pipeline for designing, multiplexing, and sequencing highly polymorphic taxon-specific long-read amplicons. We focused on the wheat microbiome as a proof-ofprinciple and achieved unprecedented resolution for the wheat-associated Pseudomonas microbiome and the ubiquitous fungal pathogen Zymoseptoria tritici. We achieved more than a three-fold increase in phylogenetic resolution compared to existing ribosomal amplicons. The designed amplicons accurately capture species and strain diversity, ii outperforming full-length 16S and Internally Transcribed Spacer (ITS) amplicons. To broaden the utility of our approach, we generated pangenome-informed amplicon templates for additional key bacterial and fungal genera. Pangenome-informed microbiome profiling allows tracking of microbial community dynamics in complex environments and overcomes limitations in phylogenetic resolution. We then used this approach to track microbial communities in the wheat phyllosphere across time and space, detecting fine-grained species and strain-specific dynamics. Our findings reveal a high level of strain-specificity in Pseudomonas interactions, both within and between kingdoms. Through systematic analysis of negative interactions, we discovered a consortium of ten taxa that potentially suppress seven fungal pathogens. We confirmed the strain-specific interactions of Pseudomonas with different strains of the major fungal pathogen Z. tritici using co-inoculation experiments involving Pseudomonas strains and Z. tritici isolates from the same field. Consistent with our prediction, we identified a Pseudomonas poae isolate as the most antagonistic towards Z. tritici. Overall, we demonstrate the potential of taxon-specific high-resolution network inference in studying microbial interaction networks. We highlight how understanding species and strain-specific dynamics can inform the development of effective biocontrol strategies.
Genomic surveillance uncovers a pandemic clonal lineage of the wheat blast fungus
Wheat, one of the most important food crops, is threatened by a blast disease pandemic. Here, we show that a clonal lineage of the wheat blast fungus recently spread to Asia and Africa following two independent introductions from South America. Through a combination of genome analyses and laboratory experiments, we show that the decade-old blast pandemic lineage can be controlled by the Rmg8 disease resistance gene and is sensitive to strobilurin fungicides. However, we also highlight the potential of the pandemic clone to evolve fungicide-insensitive variants and sexually recombine with African lineages. This underscores the urgent need for genomic surveillance to track and mitigate the spread of wheat blast outside of South America and to guide preemptive wheat breeding for blast resistance.
Frequentist estimation of evolutionary history of sequences with substitutions & indels
Estimation of the evolutionary history of molecules is mainly done by reconstructing the ancestral sequences given present-day sequences and phylogeny information. Biological sequence data is a result of evolution by mutational events such as character substitutions (or point mutations), insertions and deletions (indels). Inference of the evolutionary history of sequences with substitution and indels can be used in various biomedical applications, from tracking the origin of pandemic viruses to studies of the cause of visual impairment. Indels are among the most important sources of genomic variation and carry sound evolutionary signals; however, well-known ancestral sequence reconstruction (ASR) methods ignore or mistreat them. ASR with indels is a big challenge from both computational and statistical viewpoints. This research proposed a novel solution to infer the ancestral sequences, while accounting for the evolutionary indel process. First, I used an evolutionary model of substitution and indel for ASR and implemented it in the ARPIP program. ARPIP implemented a novel empirical Bayes method, which allows us to reconstruct ancestral sequences with indels under the Poisson indel process (PIP). While PIP is a continuous-time Markov chain (CTMC) model that assumes single-character indels, and has important computational advantages. I showed that ARPIP reconstructed biologically reasonable indels. Second, it is difficult to model multiple-character (or "long") indels since most evolutionary CTMC models assume site-independence. Thus, I investigated whether a single-character indel assumption was detrimental for ASR. Analysis of real and simulated data showed that the single-character indel model could be used for ASR. ARPIP preserved gap length distribution in multiple sequence alignment, including regions with long indels. Moreover, the indel variation in six eutherian mammalian orthologous proteins was studied to explore the evolutionary dynamics of insertions and deletions. Finally, ASR, similar to other inferences, is affected by uncertainty. To account for it, a posterior probability profile method was devised. In collaboration with an experimental lab to study properties of ancestral proteins, the approach was applied to reflect the variation in ASR inference on neural retina leucine zipper transcription factor of selected vertebrates. Moreover, an alternative reconstruction for the ambiguous regions was introduced.