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Croll, Daniel
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Croll, Daniel
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Professeur ordinaire
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daniel.croll@unine.ch
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- PublicationRestriction temporaireThe complex genetic landscape of fungicide resistance evolution in "Zymoseptoria tritici"La résistance aux fongicides chez les agents pathogènes des cultures représente un défi important pour l'agriculture durable et la sécurité alimentaire mondiale. La pression de sélection des fongicides a été sélectionnée pour les populations fongiques résistantes menaçant l'efficacité à long terme des fongicides et nécessitant une compréhension plus approfondie des mécanismes génétiques sous-jacents à la résistance. Les mutations du site cible, telles que celles de Cyp51, sont bien établies comme principaux facteurs de résistance, et les méthodes traditionnelles de génétique directe basées sur des criblages de mutagenèse de souches de référence ont aidé à prédire la mutation de résistance. Néanmoins, les enquêtes sur le terrain ont systématiquement révélé des mécanismes alternatifs. Une limitation majeure de la recherche sur la résistance est que la variabilité naturelle au sein des populations d'agents pathogènes donne lieu à des mécanismes de résistance complexes qui ne peuvent pas toujours être reproduits in vitro. Ces mécanismes impliquent souvent des adaptations polygéniques, des variations structurelles ou des changements d'expression génétique, qui sont difficiles à capturer dans des environnements de laboratoire contrôlés mais sont essentiels pour comprendre l'évolution de la résistance dans le monde réel. Les genome wide association studies (GWAS) offrent une alternative puissante aux criblages de mutagenèse en exploitant la variabilité naturelle au sein des populations d'agents pathogènes à grande échelle. En analysant diverses souches fongiques exposées à des applications de fongicides, GWAS peut identifier les mécanismes de résistance façonnés par les pressions de sélection du monde réel, offrant une compréhension plus complète de l'évolution de la résistance aux fongicides. À cette fin, nous avons constitué un panel génomique européen de Zymoseptoria tritici, le principal pathogène du blé, couvrant 1394 souches collectées sur 15 ans dans 27 pays d'Europe, un continent où les fongicides sont utilisés depuis longtemps et de manière diversifiée. Nous nous concentrons sur la principale classe de fongicides utilisée en agriculture en Europe, les demethylation inhibitors (DMI). En intégrant deux approches de phénotypage, trois méthodes de génotypage et six DMI largement utilisés sur le terrain au cours des 20 dernières années, notre analyse GWAS a révélé 21 220 variantes génétiques et 158 gènes candidats associés à la résistance aux DMI, offrant une vue complète de l'architecture génétique sous-jacente à l'évolution de la résistance. Nos résultats ont révélé une diversification importante dans la séquence codante de Cyp51, avec des modèles géographiques distincts émergeant au fil du temps. Nous avons ensuite établi un atlas de résistance aux fongicides, révélant la base génétique de la résistance à plus de 40 fongicides. Dans ce chapitre, nous avons développé un pipeline simplifié capable d'identifier les déterminants génétiques de la résistance en deux semaines. En exploitant une approche de génotypage sans référence, CNV, TE, SNP, Indels et sans référence, nous avons identifié 2 280 gènes candidats liés à la résistance aux fongicides, soit une multiplication par dix du paysage de résistance précédemment connu. Nos efforts de cartographie ont été validés par des expériences fonctionnelles, confirmant le rôle de SdhC1, Mfs1 et β-tubulin dans la médiation de la résistance. Ces résultats soulignent la puissance de cette approche pour capturer la variabilité naturelle et révéler les réponses adaptatives à la sélection des fongicides dans les populations fongiques. L'atlas de résistance aux fongicides qui en résulte offre une perspective sans précédent à l'échelle du continent sur l'évolution de la résistance, offrant un outil essentiel pour une application de fongicides guidée avec précision et une gestion durable de la résistance. Enfin, dans cette étude, nous avons exploré la dynamique évolutive de la résistance aux fongicides en Europe. Grâce à l'analyse de la fréquence des allèles sur huit sites européens et deux périodes de temps, nous avons découvert des preuves claires d'une évolution convergente, où la résistance est apparue indépendamment dans plusieurs populations. Alors que la résistance au DMI présentait les changements adaptatifs les plus forts, la résistance à l'inhibiteur de la succinate déshydrogénase (SDHI) est restée globalement faible. Malgré l'augmentation rapide de la résistance aux fongicides depuis le début des années 2010, seule une petite fraction du génome était soumise à une sélection positive, soulignant les contraintes et la prévisibilité de l'évolution de la résistance sous une pression fongicide soutenue. En intégrant les perspectives génomiques, phénotypiques et évolutives, cette thèse établit un cadre complet pour comprendre la résistance aux fongicides dans des conditions naturelles. Les résultats fournissent des informations essentielles sur les mécanismes moléculaires et évolutifs à l'origine de la résistance et soulignent l'importance de la variabilité naturelle dans la formation de la résistance au-delà des criblages de mutagenèse. Le développement d'un atlas de résistance aux fongicides permet des mesures de contrôle plus ciblées et informe la conception de stratégies antifongiques de nouvelle génération pour atténuer la propagation de la résistance. Fungicide resistance in crop pathogens presents a significant challenge to sustainable agriculture and global food security. Fungicide application has selected for resistant fungal populations threatening the long-term efficacy of fungicides and requiring a deeper understanding of the genetic mechanisms underlying resistance. Target-site mutations, such as those in Cyp51, are well established as primary drivers of resistance, and traditional forward genetics methods based on mutagenesis screens of reference strains have helped predict resistance mutation. Nevertheless, field surveys have consistently revealed alternative mechanisms. A major limitation in resistance research is that natural variability within pathogen populations gives rise to complex resistance mechanisms that cannot always be replicated in vitro. These mechanisms often involve polygenic adaptations, structural variations, or gene expression changes, which are difficult to capture in controlled laboratory settings but are critical for understanding real-world resistance evolution. Genome-wide association studies (GWAS) provide a powerful alternative to mutagenesis screens by leveraging natural variability within large-scale pathogen populations. By analyzing diverse fungal strains exposed to fungicide applications, GWAS can identify resistance mechanisms shaped by real-world selection pressures offering a more comprehensive understanding of fungicide resistance evolution. For this purpose, we assembled a European genome panel of Zymoseptoria tritici, the major wheat pathogen, spanning 1,394 strains collected over 15 years from 27 countries in Europe, a continent with a long and diverse application of fungicides. We focus on the main fungicide class applied in agriculture in Europe, the demethylation inhibitors (DMI). By integrating two phenotyping approaches, three genotyping methods, and six DMIs widely used in the field over the past 20 years, our GWAS analysis uncovered 21,220 genetic variants and 158 candidate genes associated with DMI resistance, providing a comprehensive view of the genetic architecture underlying resistance evolution. Our findings revealed extensive diversification in the Cyp51 coding sequence, with distinct geographic patterns emerging over time. We then established a fungicide resistance atlas, uncovering the genetic basis of resistance across more than 40 fungicides. In this thesis, we developed a streamlined pipeline capable of identifying genetic determinants of resistance within two weeks. By leveraging on a CNV, TE, SNPs, Indels and reference free genotyping approach, we identified 2,280 candidate genes linked to fungicide resistance—a tenfold expansion of the previously known resistance landscape. Our mapping efforts were further validated through functional experiments, confirming the role of SdhC1, Mfs1, and β-tubulin in mediating resistance. These findings highlight the power of this approach in capturing natural variability and revealing adaptive responses to fungicide selection in fungal populations. The resulting fungicide resistance atlas provides an unprecedented, continent-wide perspective on resistance evolution, offering a vital tool for precision-guided fungicide application and sustainable resistance management. Finally, in this study we explored the evolutionary dynamics of fungicide resistance in Europe. Through allele frequency analysis across eight European sites and two timeframes, we uncovered clear evidence of convergent evolution, where resistance emerged independently in multiple populations. While DMI resistance exhibited the strongest adaptive shifts, succinate dehydrogenase inhibitor (SDHI) resistance remained weak overall. Despite the rapid rise of fungicide resistance since the early 2010s, only a small fraction of the genome was under positive selection, highlighting the constraints and predictability of resistance evolution under sustained fungicide pressure. By integrating genomic, phenotypic, and evolutionary perspectives, this thesis establishes a comprehensive framework for understanding fungicide resistance in natural conditions. The findings provide essential insights into the molecular and evolutionary mechanisms driving resistance and emphasize the importance of natural variability in shaping resistance beyond mutagenesis screens. The development of a fungicide resistance atlas enables more targeted control measures and informs the design of next-generation antifungal strategies to mitigate resistance spread.
- PublicationRestriction temporaireUnraveling the microbial matrix : high-resolution profiling of synergistic and antagonistic forces shaping the crop microbiomePlants 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.
- PublicationAccès libreGenome-wide expression QTL mapping reveals the highly dynamic regulatory landscape of a major wheat pathogen(2023-11-20T00:00:00Z)
; In agricultural ecosystems, outbreaks of diseases are frequent and pose a significant threat to food security. A successful pathogen undergoes a complex and well-timed sequence of regulatory changes to avoid detection by the host immune system; hence, well-tuned gene regulation is essential for survival. However, the extent to which the regulatory polymorphisms in a pathogen population provide an adaptive advantage is poorly understood. - PublicationAccès libreA pangenome-guided manually curated library of transposable elements for Zymoseptoria tritici(2023-11-16T00:00:00Z)
- PublicationAccès libreThe expression landscape and pangenome of long non-coding RNA in the fungal wheat pathogen Zymoseptoria tritici(2023-11-01T00:00:00Z)
- PublicationAccès libreTracking evolutionary dynamics within the fungal wheat pathogen "Zymoseptoria tritici"(2023)
; 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.