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Induced resistance in wheat
Maison d'édition
Neuchâtel
Date de parution
2020
Mots-clés
Résumé
Au cours de l'évolution, les plantes ont développé une variété de défenses chimiques et physiques pour se protéger contre les facteurs de stress. En plus de ces défenses constitutives, les plantes possèdent des mécanismes inductibles qui sont activés en présence du pathogène. Les plantes sont aussi capables d'améliorer leur niveau défensif une fois qu'elles sont correctement stimulées par des organismes non pathogènes ou des stimuli chimiques. Ce phénomène est appelé résistance induite (RI) et il a été largement rapporté dans des études avec des plantes dicotylédones. Cependant, les mécanismes dirigeants la RI dans les monocotylédones sont encore peu étudiés. Par conséquent, l'objectif de cette thèse était d'étudier l'efficacité de la RI pour lutter contre les maladies du blé telles que la rouille brune et le septoriose. Dans cette thèse, des analyses histopathologiques et transcriptomiques ont été menées afin de mieux comprendre les mécanismes liés à la RI chez les monocotylédones et plus spécifiquement chez le blé. <br>
L'utilisation réussie de rhizobactéries bénéfiques exige leur présence et leur activité au niveau approprié sans aucun effet nocif pour la plante hôte. Dans un premier temps, l'interaction entre <i>Pseudomonas protegens</i> CHA0 (CHA0) et le blé a été évaluée. Nos résultats ont démontré que CHA0 n'affectait pas la germination des graines de blé et pouvait coloniser et persister sur les racines de blé avec un effet bénéfique sur la croissance des plantes. <br>
L'absence d'effets secondaires du CHA0 sur les plantes de blé ayant été établie, dans la deuxième étape, nous avons évalué l'efficacité du CHA0 ou de l'acide β-aminobutyrique (BABA) pour induire la résistance contre la rouille brune causée par le champignon biotrophe <i>Puccinia triticina</i> chez le blé. Nos résultats ont confirmé la capacité de CHA0 à contrôler la rouille brune au stade plantules. BABA a montré une réduction dose-dépendante de l'infection par la rouille brune accompagnée d'une répression de la croissance des plantes à une concentration de 20 mM. En équilibrant entre la protection et la répression de la croissance, une concentration de 15 mM a été choisie comme la dose appropriée pour lutter contre la rouille brune. Les réactions de défense telles que le dépôt de callose et la génération de H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> impliquées dans la résistance observée ont été étudiées. Les deux traitements ont réduit la pénétration fongique et la formation d'haustoria de <i>P. triticina</i> avec des différences de temps et d’amplitude, conduisant à différents niveaux de résistance à la rouille brune. La RI chez le blé s'est accompagnée d'un dépôt élevé de callose et de l'accumulation de H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> lors de l’infection fongique, montrant leur importance dans les mécanismes impliqués dans cette résistance.<br>
Pour clarifier en profondeur les différences et les ressemblances entre la RI par CHA0 et BABA au niveau transcriptomique, dans une troisième étape, le niveau d'expression de gènes liés à la défense a été analysé par RT-qPCR. Une corrélation entre l'induction des gènes et des événements d'infection du champignon <i>P. triticina</i> a été observée. La différence entre les deux réponses induites est que le BABA cible plus de gènes liés à la défense que le traitement CHA0.<br>
La dernière étape a consisté à évaluer les deux éliciteurs mentionnés (CHA0 et BABA), <i>Pseudomonas chlororaphis</i> PCL1391 et Benzothiadiazole (BTH) pour leur capacité à induire la résistance du blé contre un autre champignon hémibiotrophe, le <i>Zymoseptoria tritici</i>. Seul BABA a amélioré efficacement la résistance des plantes à <i>Z. tritici</i>.<br>
En conclusion, l'exploitation de la RI pourrait être une stratégie importante pour contrôler les maladies du blé. Cependant, son efficacité dépend de la combinaison inducteur/pathogène. On peut dire que les bactéries CHA0 et BABA induisent des réactions de défense similaires conduisant à la fois à des niveaux accrus de résistance. Cependant, seulement BABA a amélioré les défenses contre l'hémibiotrophe <i>Z. tritici</i>, ce qui suggère que la résistance des plantes réagit au mode de vie du pathogène et que la RI ne les implique pas nécessairement toutes. Une meilleure compréhension est nécessaire à la fois sur la capacité de l'inducteur à induire et sur la plante à devenir induite.
<br><b>Abstract</b><br>During evolution, plants have developed a variety of chemical and physical defences to protect themselves from stressors. In addition to constitutive defences, plants possess inducible mechanisms that are activated in the presence of the pathogen. Also, plants are capable of enhancing their defensive level once they are properly stimulated with non-pathogenic organisms or chemical stimuli. This phenomenon is called induced resistance (IR) and it was widely reported in studies with dicotyledonous plants. However, mechanisms governing IR in monocots are still poorly investigated. Hence, the aim of this thesis was to study the efficacy of IR to control wheat diseases such leaf rust and Septoria tritici blotch. In this thesis histological and transcriptomic analysis were conducted in order to better understand mechanisms related to IR in monocots and more specifically in wheat plants. <br>
Successful use of beneficial rhizobacteria requires their presence and activity at the appropriate level without any harmful effect to host plant. In a first step, the interaction between <i>Pseudomonas protegens</i> CHA0 (CHA0) and wheat was assessed. Our results demonstrated that CHA0 did not affect wheat seed germination and was able to colonize and persist on wheat roots with a beneficial effect on plant growth. <br>
Once we showed the absence of side effects of CHA0 on wheat plants, in the second step, we evaluate efficacy of CHA0 or β-aminobutyric acid (BABA) to induce resistance against leaf rust caused by the biotroph <i>Puccinia triticina</i> in wheat. Our results confirmed the capacity of CHA0 to control leaf rust at the seedling stage. BABA showed dose-dependent reduction of leaf rust infection accompanied with plant growth repression at 20 mM. Balancing between protection and growth repression, a concentration of 15 mM was chosen as suitable dose for leaf rust control. Defence reactions such as callose deposition and H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> regeneration involved in the observed resistance were investigated. Both treatments reduced fungal penetration and haustoria formation of <i>P. triticina</i> with differences in timing and amplitude, leading to different levels of resistance to leaf rust. IR in wheat was accompanied with high deposition of callose and the accumulation of H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> during fungal infection, showing their importance in mechanisms involved in this resistance. <br>
To deeply clarify differences and similarities between CHA0- and BABA-IR at transcriptomic level, in the third step, the expression level of defence-related genes was analysed by RT-qPCR during IR induced by CHA0 and BABA against leaf rust. A correlation between induction of genes and <i>P. triticina</i> infection events was observed. A clear difference between the two induced responses is that BABA target more defence-related genes compared to CHA0 treatment. <br>
The last step was to evaluate the two mentioned elicitors (CHA0 and BABA), <i>Pseudomonas chlororaphis</i> PCL1391 and Benzothiadiazole (BTH) for their ability to induce resistance in wheat against the hemibiotrophic fungus <i>Zymoseptoria tritici</i>. Only BABA efficiently enhanced plant resistance to <i>Z. tritici</i>.<br>
In conclusion, exploiting IR might be a prominent strategy to control wheat disease. However, its effectiveness depends on the combination inducer/pathogen. Arguably, CHA0 bacteria and BABA induce similar defence reactions leading both to enhanced levels of resistance. However, only BABA enhanced defences against the hemibiotroph <i>Z. tritici</i>, suggesting that resistance of the plants react to the lifestyle of the pathogen and IR enhances does not involve necessarily all of them. More understanding is needed on both on capacity of the inducer to induce and the plant to become induced.
L'utilisation réussie de rhizobactéries bénéfiques exige leur présence et leur activité au niveau approprié sans aucun effet nocif pour la plante hôte. Dans un premier temps, l'interaction entre <i>Pseudomonas protegens</i> CHA0 (CHA0) et le blé a été évaluée. Nos résultats ont démontré que CHA0 n'affectait pas la germination des graines de blé et pouvait coloniser et persister sur les racines de blé avec un effet bénéfique sur la croissance des plantes. <br>
L'absence d'effets secondaires du CHA0 sur les plantes de blé ayant été établie, dans la deuxième étape, nous avons évalué l'efficacité du CHA0 ou de l'acide β-aminobutyrique (BABA) pour induire la résistance contre la rouille brune causée par le champignon biotrophe <i>Puccinia triticina</i> chez le blé. Nos résultats ont confirmé la capacité de CHA0 à contrôler la rouille brune au stade plantules. BABA a montré une réduction dose-dépendante de l'infection par la rouille brune accompagnée d'une répression de la croissance des plantes à une concentration de 20 mM. En équilibrant entre la protection et la répression de la croissance, une concentration de 15 mM a été choisie comme la dose appropriée pour lutter contre la rouille brune. Les réactions de défense telles que le dépôt de callose et la génération de H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> impliquées dans la résistance observée ont été étudiées. Les deux traitements ont réduit la pénétration fongique et la formation d'haustoria de <i>P. triticina</i> avec des différences de temps et d’amplitude, conduisant à différents niveaux de résistance à la rouille brune. La RI chez le blé s'est accompagnée d'un dépôt élevé de callose et de l'accumulation de H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> lors de l’infection fongique, montrant leur importance dans les mécanismes impliqués dans cette résistance.<br>
Pour clarifier en profondeur les différences et les ressemblances entre la RI par CHA0 et BABA au niveau transcriptomique, dans une troisième étape, le niveau d'expression de gènes liés à la défense a été analysé par RT-qPCR. Une corrélation entre l'induction des gènes et des événements d'infection du champignon <i>P. triticina</i> a été observée. La différence entre les deux réponses induites est que le BABA cible plus de gènes liés à la défense que le traitement CHA0.<br>
La dernière étape a consisté à évaluer les deux éliciteurs mentionnés (CHA0 et BABA), <i>Pseudomonas chlororaphis</i> PCL1391 et Benzothiadiazole (BTH) pour leur capacité à induire la résistance du blé contre un autre champignon hémibiotrophe, le <i>Zymoseptoria tritici</i>. Seul BABA a amélioré efficacement la résistance des plantes à <i>Z. tritici</i>.<br>
En conclusion, l'exploitation de la RI pourrait être une stratégie importante pour contrôler les maladies du blé. Cependant, son efficacité dépend de la combinaison inducteur/pathogène. On peut dire que les bactéries CHA0 et BABA induisent des réactions de défense similaires conduisant à la fois à des niveaux accrus de résistance. Cependant, seulement BABA a amélioré les défenses contre l'hémibiotrophe <i>Z. tritici</i>, ce qui suggère que la résistance des plantes réagit au mode de vie du pathogène et que la RI ne les implique pas nécessairement toutes. Une meilleure compréhension est nécessaire à la fois sur la capacité de l'inducteur à induire et sur la plante à devenir induite.
<br><b>Abstract</b><br>During evolution, plants have developed a variety of chemical and physical defences to protect themselves from stressors. In addition to constitutive defences, plants possess inducible mechanisms that are activated in the presence of the pathogen. Also, plants are capable of enhancing their defensive level once they are properly stimulated with non-pathogenic organisms or chemical stimuli. This phenomenon is called induced resistance (IR) and it was widely reported in studies with dicotyledonous plants. However, mechanisms governing IR in monocots are still poorly investigated. Hence, the aim of this thesis was to study the efficacy of IR to control wheat diseases such leaf rust and Septoria tritici blotch. In this thesis histological and transcriptomic analysis were conducted in order to better understand mechanisms related to IR in monocots and more specifically in wheat plants. <br>
Successful use of beneficial rhizobacteria requires their presence and activity at the appropriate level without any harmful effect to host plant. In a first step, the interaction between <i>Pseudomonas protegens</i> CHA0 (CHA0) and wheat was assessed. Our results demonstrated that CHA0 did not affect wheat seed germination and was able to colonize and persist on wheat roots with a beneficial effect on plant growth. <br>
Once we showed the absence of side effects of CHA0 on wheat plants, in the second step, we evaluate efficacy of CHA0 or β-aminobutyric acid (BABA) to induce resistance against leaf rust caused by the biotroph <i>Puccinia triticina</i> in wheat. Our results confirmed the capacity of CHA0 to control leaf rust at the seedling stage. BABA showed dose-dependent reduction of leaf rust infection accompanied with plant growth repression at 20 mM. Balancing between protection and growth repression, a concentration of 15 mM was chosen as suitable dose for leaf rust control. Defence reactions such as callose deposition and H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> regeneration involved in the observed resistance were investigated. Both treatments reduced fungal penetration and haustoria formation of <i>P. triticina</i> with differences in timing and amplitude, leading to different levels of resistance to leaf rust. IR in wheat was accompanied with high deposition of callose and the accumulation of H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> during fungal infection, showing their importance in mechanisms involved in this resistance. <br>
To deeply clarify differences and similarities between CHA0- and BABA-IR at transcriptomic level, in the third step, the expression level of defence-related genes was analysed by RT-qPCR during IR induced by CHA0 and BABA against leaf rust. A correlation between induction of genes and <i>P. triticina</i> infection events was observed. A clear difference between the two induced responses is that BABA target more defence-related genes compared to CHA0 treatment. <br>
The last step was to evaluate the two mentioned elicitors (CHA0 and BABA), <i>Pseudomonas chlororaphis</i> PCL1391 and Benzothiadiazole (BTH) for their ability to induce resistance in wheat against the hemibiotrophic fungus <i>Zymoseptoria tritici</i>. Only BABA efficiently enhanced plant resistance to <i>Z. tritici</i>.<br>
In conclusion, exploiting IR might be a prominent strategy to control wheat disease. However, its effectiveness depends on the combination inducer/pathogen. Arguably, CHA0 bacteria and BABA induce similar defence reactions leading both to enhanced levels of resistance. However, only BABA enhanced defences against the hemibiotroph <i>Z. tritici</i>, suggesting that resistance of the plants react to the lifestyle of the pathogen and IR enhances does not involve necessarily all of them. More understanding is needed on both on capacity of the inducer to induce and the plant to become induced.
Notes
Doctorat, Université de Neuchâtel, Institut de biologie
Identifiants
Type de publication
doctoral thesis
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