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Resistance elements of small grain cereals against Fusarium head blight and contribution of Health Promoting Compounds
Auteur(s)
Martin, Charlotte
Editeur(s)
Mascher, Fabio
Date de parution
2017
Résumé
La fusariose de l’épi est une des principales maladies des céréales, causée par les pathogènes du genre <i>Fusarium</i>. 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 <i>F.poae</i> et <i>F.langsethiae</i>. 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 <i>Fusarium</i> en conditions <i>in vitro</i>, laissant ainsi suggérer qu’ils pourraient contribuer à la résistance contre la fusariose <i>in planta</i>.<br> L’objectif de cette thèse est de comprendre comment les grains de blé, d’orge et d’avoine se protègent contre les <i>Fusarium</i>. 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 <i>Fusarium</i> 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 <i>in vivo</i> à la résistance <i>in vivo</i> 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 <i>F.graminearum</i>. 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 <i>F.graminearum</i> 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 <i>F.poae</i> et <i>F.langsethiae</i> 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.<br> 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. <br> 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 <i>Fusarium</i> 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 <i>F.gramineraum</i>. 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 <i>Fusarium</i> 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 <i>F.poae</i> and <i>F.langsethiae</i> 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 <i>Fusarium</i> growth and toxin synthesis <i>in vitro</i> conditions, hence suggesting they could contribute to FHB resistance <i>in planta</i>.<br> The aim of this thesis is to understand how the wheat, barley and oat grains protect themselves against <i>Fusarium</i> pathogens. The role of several HPC in resistance was investigated. A first preliminary study allowed us to understand the variability of the aggressiveness of <i>Fusarium</i> 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 <i>in vivo</i>. 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 <i>Fusarium</i> 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 <i>F.graminearum</i> 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 <i>F.poae</i> and <i>F.langsethiae</i> 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 <i>Fusarium</i> toxins. <br> 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.<br> To conclude, wheat, barley and oat protect themselves against <i>Fusarium</i> 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.
Notes
Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017
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doctoral thesis
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