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The complex genetic landscape of fungicide resistance evolution in "Zymoseptoria tritici"
Auteur(s)
Editeur(s)
Scalliet, Gabriel
Maison d'édition
Neuchâtel : Université de Neuchâtel
Date de parution
2025
Nombre de page
167
Mots-clés
- Résistance aux fongicides
- Zymoseptoria tritici
- études d'association pangénomique (GWAS)
- pangénomique
- évolution convergente
- variabilité naturelle
- agents pathogènes des cultures
- atlas de résistance aux fongicides
- inhibiteurs de la déméthylation (DMI)
- inhibiteurs de la succinate déshydrogénase (SDHI)
- Cyp51
- Fungicide resistance
- genome-wide association studies (GWAS)
- pangenomics
- convergent evolution
- natural variability
- crop pathogens
- fungicide resistance atlas
- demethylation inhibitors (DMIs)
- Succinate dehydrogenase inhibitors (SDHI)
Résistance aux fongic...
Zymoseptoria tritici
études d'association ...
pangénomique
évolution convergente...
variabilité naturelle...
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inhibiteurs de la dém...
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Cyp51
Fungicide resistance
genome-wide associati...
pangenomics
convergent evolution
natural variability
crop pathogens
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demethylation inhibit...
Succinate dehydrogena...
Résumé
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.
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.
Notes
Thesis comitee:
Professor Dr. Daniel Croll, Université de Neuchâtel (thesis director)
Dr. Gabriel Scalliet, Syngent (thesis co-supervisor)
Professor Dr. Pilar Junier, Université de Neuchâtel (internal expert)
Professor Dr. Johanna Rhodes, University of Birmingham (external expert)
Dr. Dr. Marc-Henri Lebrun, INRAE-Paris-Saclay (external expert)
Defended on March 28th, 2025
No de thèse : 3170
Professor Dr. Daniel Croll, Université de Neuchâtel (thesis director)
Dr. Gabriel Scalliet, Syngent (thesis co-supervisor)
Professor Dr. Pilar Junier, Université de Neuchâtel (internal expert)
Professor Dr. Johanna Rhodes, University of Birmingham (external expert)
Dr. Dr. Marc-Henri Lebrun, INRAE-Paris-Saclay (external expert)
Defended on March 28th, 2025
No de thèse : 3170
Identifiants
Type de publication
doctoral thesis
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