Diversification of quantitative resistance in wheat leaf rust, by the characterisation of resistance components

L'enjeu de la thèse est de proposer une stratégie de gestion durable de la résistance génétique à la rouille brune du blé, basée sur des sources de résistance quantitative. Nous proposons d'identifier des résistances se traduisant par une diminution des performances du pathogène sur les différentes phases du cycle infectieux. Ainsi, l'exercice de contraintes diversifiées sur le pathogène devraient ralentir son adaptation et augmenter la durabilité de la résistance. La confrontation d'un ensemble de génotypes de blé à trois isolats de rouille brune a permis de mesurer le niveau de résistance pour cinq composantes en serre (efficacité d'infection, période de latence, taille de lésion, sporulation par lésion, sporulation par unité de surface sporulante), et à différentes étapes de l'épidémie au champ. Nous avons mis en évidence une grande diversité des composantes affectées, et une variabilité importante pour toutes les composantes. Le développement d'un modèle statistique a permis d'établir que l'ensemble des composantes intervient dans la détermination du niveau de résistance à l'échelle épidémique, mais l'efficacité d'infection et la latence sont les composantes qui jouent le rôle le plus important pour déterminer le niveau de résistance au champ. L'impact d'une composante sur le niveau global de résistance change selon les étapes de l'épidémie. Les trois isolats utilisés ont exprimé un profil d'agressivité contrasté vis-à-vis des différentes composantes. La cartographie des QTLs associés aux différentes composantes de résistance a permis d'établir que la diversité phénotypique observée est liée à une diversité génotypique.The issue of this thesis is to propose a durable management of genetic resistance to wheat leaf rust, based on quantitative resistance. We propose to identify resistance factors reducing pathogen development across the different stages of the infectious cycle. Diversifying constraints exerted by host resistance on the pathogen development should slow down the pathogen adaptation, and increase resistance durability. A set of wheat genotypes was confronted to three leaf rust isolates, and resistance level was measured for five components in the greenhouse (infection efficiency, latent period, lesion size, spore production per lesion, spore production per unit of sporulating tissue), as well as at different stages of field epidemics. Across the germplasm investigated, the resistance components involved were diversified, and their resistance level varied. Developing a statistical model, we established that all the components are involved in the resistance level observed in field epidemics, the most important components being infection efficiency and latent period. The incidence of a component on the field resistance level varied across epidemic stages. The three pathogen isolates used displayed contrasted aggressiveness profiles, according to the different resistance components. QTL mapping of resistance associated to the different components showed that phenotypic diversity corresponded to genotypic diversity

Diversification de la résistance quantitative à la rouille brune du blé, à partir de la caractérisation des composantes de la résistance

The issue of this thesis is to propose a durable management of genetic resistance to wheat leaf rust, based on quantitative resistance. We propose to identify resistance factors reducing pathogen development across the different stages of the infectious cycle. Diversifying constraints exerted by host resistance on the pathogen development should slow down the pathogen adaptation, and increase resistance durability. A set of wheat genotypes was confronted to three leaf rust isolates, and resistance level was measured for five components in the greenhouse (infection efficiency, latent period, lesion size, spore production per lesion, spore production per unit of sporulating tissue), as well as at different stages of field epidemics. Across the germplasm investigated, the resistance components involved were diversified, and their resistance level varied. Developing a statistical model, we established that all the components are involved in the resistance level observed in field epidemics, the most important components being infection efficiency and latent period. The incidence of a component on the field resistance level varied across epidemic stages. The three pathogen isolates used displayed contrasted aggressiveness profiles, according to the different resistance components. QTL mapping of resistance associated to the different components showed that phenotypic diversity corresponded to genotypic diversity.L'enjeu de la thèse est de proposer une stratégie de gestion durable de la résistance génétique à la rouille brune du blé, basée sur des sources de résistance quantitative. Nous proposons d'identifier des résistances se traduisant par une diminution des performances du pathogène sur les différentes phases du cycle infectieux. Ainsi, l'exercice de contraintes diversifiées sur le pathogène devraient ralentir son adaptation et augmenter la durabilité de la résistance. La confrontation d'un ensemble de génotypes de blé à trois isolats de rouille brune a permis de mesurer le niveau de résistance pour cinq composantes en serre (efficacité d'infection, période de latence, taille de lésion, sporulation par lésion, sporulation par unité de surface sporulante), et à différentes étapes de l'épidémie au champ. Nous avons mis en évidence une grande diversité des composantes affectées, et une variabilité importante pour toutes les composantes. Le développement d'un modèle statistique a permis d'établir que l'ensemble des composantes intervient dans la détermination du niveau de résistance à l'échelle épidémique, mais l'efficacité d'infection et la latence sont les composantes qui jouent le rôle le plus important pour déterminer le niveau de résistance au champ. L'impact d'une composante sur le niveau global de résistance change selon les étapes de l'épidémie. Les trois isolats utilisés ont exprimé un profil d'agressivité contrasté vis-à-vis des différentes composantes. La cartographie des QTLs associés aux différentes composantes de résistance a permis d'établir que la diversité phénotypique observée est liée à une diversité génotypique

Relations entre composantes de la résistance quantitative et résistance au champ, chez la rouille brune du blé causée par Puccinia triticina

Les traits quantitatifs, nommés composantes d'agressivité chez le pathogène ou composantes de la résistance chez l'hôte, sont généralement mesurés en conditions contrôlées à l'échelle d'un seul cycle épidémique, alors que la résistance mesurée au cours d'une épidémie au champ résulte d'une succession de cycles du pathogène. L'objectif de cette étude est de déterminer la contribution des traits quantitatifs à la résistance au champ par i) une analyse des corrélations entre traits quantitatifs, et ii) une analyse des relations entre ces traits, d'une part, et le développement épidémique au champ à différents stades de l'épidémie, d'autre part. Une série de variétés de blé, de différents niveaux de résistance, a été confrontée à trois pathotypes de P. triticina. L'efficacité d' infection (IE), la période de latence (LP), la taille de lésion (LS), la production de spores par lésion (SPL), et la capacité de production de spores (SPC) ont été mesurées en serre. La sévérité de la maladie (DS) a été notée au champ à trois dates différentes. L'utilisation de Modèles Linéaires Généralisés dans un cadre Bayésien a permis d'estimer correctement les interactions spécifiques cultivar-isolat. Pratiquement tous les traits quantitatifs étaient corrélés entre eux : les corrélations positives entre IE, LP et SPS peuvent s'expliquer par un effet pléiotropique de la résistance de l'hôte ou de la fitness du pathogène. Tous les traits quantitatifs étaient corrélés à la résistance au champ, excepté SPL. La corrélation observée entre taille de lésion élevée et bonne résistance au champ est surprenante, mais elle peut s'expliquer par un trade-off entre LS et SPS, par ailleurs mis en évidence en serre. La corrélation entre DS et IE, LP ou LS a augmenté au cours de l'épidémie, suggérant un effet cumulatif. LP et LS étaient corrélées à DS à toutes les dates de notation, alors que IE était corrélée au milieu et à la fin, ce qui suggère que l'influence de IE n'est perceptible qu'après le démarrage de l'épidémie. SPS était corrélé à DS au début et en milieu d'épidémie, ce qui suggère que la production de spores joue fortement sur le démarrage de l'épidémie. La variabilité des corrélations entre traits quantitatifs et développement épidémique suggère une diversité des mécanismes associés à ces traits, diversité qui peut être exploitée pour augmenter la durabilité de la résistance

Diversity, specificity and impacts on field epidemics of QTLs involved in components of quantitative resistance in the wheat leaf rust pathosystem

International audienceQuantitative resistance is generally associated with several genes, located in quantitative trait loci (QTLs). Although often described as non-isolate-specific and durable, some cases of erosion of this resistance have been observed. The likelihood of an erosion of quantitative resistance could be reduced, provided that this resistance rests on diversified mechanisms. We hypothesized that QTLs phenotypically expressed on different components, govern different mechanisms of resistance. A doubled haploid population of 91 lines, derived from a cross between the wheat cultivars Apache and Balance, was used to identify leaf rust resistance QTLs. After establishing a linkage map with 355 markers, 13 QTLs were found involved in field resistance, for over 2 years in two locations. Ten of these QTLs were associated with five resistance components (infection efficiency, latent period, lesion size, spore production per lesion and spore production per unit of sporulating tissue) measured in two greenhouse experiments. All but one of the QTLs found in the greenhouse were associated with one or two resistance components, supporting the hypothesis that different genetic factors are mostly involved in the expression of different resistance components. Analyzing separately different field scoring dates revealed QTLs involved at different stages of the epidemic. The QTLs displayed different degrees of isolate-specificity on field resistance, as measured by LOD scores and R-2, leading to the conclusion that isolate-specificity is both a qualitative and quantitative feature of quantitative resistance. A profile of each QTL was drawn, to evaluate its usefulness according to the objectives of the breeding program

Components of quantitative resistance to leaf rust in wheat cultivars

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Résistance partielle à la rouille brune : sources de résistance, utilisation en sélection et durabilité

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