A generic model of interactions between FSPM, foliar pathogens and microclimate

International audienceA framework was defined to model the interactions between FSPM, foliar fungal pathogens and microclimate, with the concern of interoperability of the components and extensibility. The framework was applied on two existing models of pathosystems (powdery mildew on grapevine and septoria on wheat) to make them more modular and extensible. It will facilitate the design of new disease models on FSPMs

Using crop-pathogen modeling to identify plant traits to control Zymoseptoria tritici epidemics on wheat

Diversification in pathogen control methods to reduce the severity of economically important foliar diseases such as Zymoseptoria tritici on wheat is needed. One way is to identify plant physiological and architectural traits that influence disease development and that can be selected in the process of crop breeding. Such traits may be used for improving tolerance or disease escape. Traits favoring disease escape, the focus of our work, may significantly decrease crop epidemics (Robert et al., 2018). However, understanding the role of such traits in crop-pathogen interactions is a daunting task because the interactions are multiple and dynamic in time. To characterize and quantify crop-pathogen interactions, an innovative trait-based and resource-based modeling framework was developed (Precigout et al., 2017). In this framework, the pathosystem is assumed to respond dynamically to both architecture and physiological status of the host canopy. A canopy consists of plenty of small patches, i.e. small functional and infectable units of leaf tissue. Production of new patches, for canopy growth and renewal of photosynthetically active plant tissues, is a function of the available resources produced by the other patches. Pathogen spores can contaminate nearby healthy patches. The definition of patch proximity depends on dispersal abilities of the pathogen and canopy architecture. We used and adapted this modeling framework to quantify the effects of several plant traits on Zymoseptoria tritici epidemics for varied climate scenarios. The complex infection cycle of Z. tritici characterized by a long symptomless incubation period was implemented in the model. We studied plant architectural traits such as leaf size or stem height, and plant physiological traits such as leaf lifespan or leaf metabolite contents. In our simulations, these traits impacted the epidemics dynamics though their effects on pathogen dispersal and on the amount of resources available for the pathogen. Sensitivity analyses showed how disease severity depended on plant traits and pathogen virulence. The importance of several plant and pathogen traits could be linked to the pathogen’s ability to manage the race for the colonization of the canopy in the face of canopy growth. Playing on host traits also made it possible to simulate different wheat varieties - with contrasted heights, pathogen resistance or precocity - to characterize the behavior of the pathosystem of interest for different host ideotypes. We argue that this kind of trait-based modeling approach is a valuable tool to identify plant traits promoting more resilient agroecosystems in particular for crop breeding in a context of innovative and sustainable crop protection

Genomic history of the seventh pandemic of cholera in Africa.

The seventh cholera pandemic has heavily affected Africa, although the origin and continental spread of the disease remain undefined. We used genomic data from 1070 Vibrio cholerae O1 isolates, across 45 African countries and over a 49-year period, to show that past epidemics were attributable to a single expanded lineage. This lineage was introduced at least 11 times since 1970, into two main regions, West Africa and East/Southern Africa, causing epidemics that lasted up to 28 years. The last five introductions into Africa, all from Asia, involved multidrug-resistant sublineages that replaced antibiotic-susceptible sublineages after 2000. This phylogenetic framework describes the periodicity of lineage introduction and the stable routes of cholera spread, which should inform the rational design of control measures for cholera in Africa

Loss of Guanylyl Cyclase C (GCC) Signaling Leads to Dysfunctional Intestinal Barrier

Guanylyl Cyclase C (GCC) signaling via uroguanylin (UGN) and guanylin activation is a critical mediator of intestinal fluid homeostasis, intestinal cell proliferation/apoptosis, and tumorigenesis. As a mechanism for some of these effects, we hypothesized that GCC signaling mediates regulation of intestinal barrier function.Paracellular permeability of intestinal segments was assessed in wild type (WT) and GCC deficient (GCC-/-) mice with and without lipopolysaccharide (LPS) challenge, as well as in UGN deficient (UGN-/-) mice. IFNγ and myosin light chain kinase (MLCK) levels were determined by real time PCR. Expression of tight junction proteins (TJPs), phosphorylation of myosin II regulatory light chain (MLC), and STAT1 activation were examined in intestinal epithelial cells (IECs) and intestinal mucosa. The permeability of Caco-2 and HT-29 IEC monolayers, grown on Transwell filters was determined in the absence and presence of GCC RNA interference (RNAi). We found that intestinal permeability was increased in GCC-/- and UGN-/- mice compared to WT, accompanied by increased IFNγ levels, MLCK and STAT1 activation in IECs. LPS challenge promotes greater IFNγ and STAT1 activation in IECs of GCC-/- mice compared to WT mice. Claudin-2 and JAM-A expression were reduced in GCC deficient intestine; the level of phosphorylated MLC in IECs was significantly increased in GCC-/- and UGN-/- mice compared to WT. GCC knockdown induced MLC phosphorylation, increased permeability in IEC monolayers under basal conditions, and enhanced TNFα and IFNγ-induced monolayer hyperpermeability.GCC signaling plays a protective role in the integrity of the intestinal mucosal barrier by regulating MLCK activation and TJ disassembly. GCC signaling activation may therefore represent a novel mechanism in maintaining the small bowel barrier in response to injury

Vers la compréhension des épidémies fongiques foliaires par modélisation multi-échelle dans les couverts architecturés

Researching new levers for sustainable and rational crop protection requires a better understanding of regulatory mechanisms of epidemics. This doctoral thesis aims at studying interactions between plants and foliar fungi by modeling pathosystems. The objectives were (1) to provide a methodological framework to build epidemic models coupled to FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) to validate our approach by confronting the models to experimental data, and (3) to explore new scenarios in order to highlight plant properties that influence the epidemics according to the type of foliar fungus considered; and this, in varied environmental conditions.This first required to define various concepts and to elaborate new tools to combine models of foliar fungi to FSPM. We have made several reusable and adaptive models available to the scientific community (OpenAlea platform). Three contrasted models of infectious cycles were built or refactored in the form of interoperable components: grapevine powdery mildew, wheat Septoria trici blotch (STB) and wheat brown rust. A fourth model combines the STB and the brown rust on wheat in the same model of pathogen complex. Building these models involved to identify commonalities and specificities of each plant-pathogen couple in the bibliography. Then, the consistency and the accuracy of these models have been tested in comparison to experimental data: detailed field assessments for septoria, and laboratory assessments for brown rust. In addition, the models available on wheat were used in an exploratory approach to test the sensitivity of epidemics to the properties of canopy. The results indicate that rust and septoria do not respond the same way to all the architectural traits of wheat. In particular, it is apparent from the simulations that the dynamics of epidemics depend on the relative rate of growth and reproduction of the fungus in comparison to leaf senescence. This work opens short-term outlooks of simulations and experiments to refine our understanding of the interactions in the canopy. Finally, the models that were built during this thesis can be used in different application contexts: support the analysis of epidemics, support the development of simpler operationally oriented models, or support plant breeding.La recherche de leviers pour une protection durable et raisonnée des cultures passe par une meilleure compréhension des mécanismes de régulation des épidémies. Cette thèse vise à étudier les interactions entre plantes et champignons foliaires par le biais de la modélisation des pathosystèmes. Les objectifs étaient (1) de proposer un cadre méthodologique pour le développement de modèles épidémiques couplés à des modèles de plantes virtuelles de type FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) de valider notre approche en confrontant nos modèles à des données expérimentales et (3) d’explorer des scénarios pour mettre en lumière les propriétés des plantes qui influencent les épidémies selon le type de champignon foliaire ; et ce, dans des conditions environnementales variées.Pour ce faire, nous avons d’abord défini des concepts et élaboré des outils pour coupler des modèles de champignons foliaires à des FSPM. Nous mettons à la disposition de la communauté scientifique plusieurs modèles réutilisables et évolutifs (plateforme OpenAlea). Trois modèles de cycles infectieux contrastés ont été construits ou réorganisés sous forme de composants interopérables : l’oïdium de la vigne, la septoriose du blé et la rouille brune du blé. Un quatrième modèle multi-maladies couple la septoriose et la rouille brune sur le blé. Ces modèles ont nécessité un effort de revue bibliographique pour dégager les points communs et les spécificités de chaque couple plante-pathogène. Puis, la cohérence et la précision de ces modèles a été testée face à des données expérimentales : des notations détaillées de terrain pour la septoriose, et des notations de laboratoire pour la rouille brune. De plus, les modèles disponibles sur le blé ont été utilisés dans une approche exploratoire pour tester la sensibilité des épidémies aux propriétés du couvert. Les résultats indiquent que la rouille et la septoriose ne répondent pas de la même façon à tous les traits d’architecture du blé. Il ressort notamment de nos simulations que la dynamique des épidémies dépend de la vitesse relative de croissance et de reproduction du champignon par rapport à la sénescence des feuilles. Ce dernier travail ouvre des perspectives à court terme de simulations et d’expérimentations pour affiner notre compréhension des interactions dans le couvert. Enfin, les modèles qui ont été construits au cours de cette thèse pourront être utilisés dans des contextes d’application différents : aide à l’analyse des épidémies, aide à l’élaboration de modèles plus simples à but opérationnel, ou encore aide à la sélection variétale

Towards understanding foliar fungal epidemics by combining epidemiological models with multi-scale 3D canopy models

La recherche de leviers pour une protection durable et raisonnée des cultures passe par une meilleure compréhension des mécanismes de régulation des épidémies. Cette thèse vise à étudier les interactions entre plantes et champignons foliaires par le biais de la modélisation des pathosystèmes. Les objectifs étaient (1) de proposer un cadre méthodologique pour le développement de modèles épidémiques couplés à des modèles de plantes virtuelles de type FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) de valider notre approche en confrontant nos modèles à des données expérimentales et (3) d’explorer des scénarios pour mettre en lumière les propriétés des plantes qui influencent les épidémies selon le type de champignon foliaire ; et ce, dans des conditions environnementales variées.Pour ce faire, nous avons d’abord défini des concepts et élaboré des outils pour coupler des modèles de champignons foliaires à des FSPM. Nous mettons à la disposition de la communauté scientifique plusieurs modèles réutilisables et évolutifs (plateforme OpenAlea). Trois modèles de cycles infectieux contrastés ont été construits ou réorganisés sous forme de composants interopérables : l’oïdium de la vigne, la septoriose du blé et la rouille brune du blé. Un quatrième modèle multi-maladies couple la septoriose et la rouille brune sur le blé. Ces modèles ont nécessité un effort de revue bibliographique pour dégager les points communs et les spécificités de chaque couple plante-pathogène. Puis, la cohérence et la précision de ces modèles a été testée face à des données expérimentales : des notations détaillées de terrain pour la septoriose, et des notations de laboratoire pour la rouille brune. De plus, les modèles disponibles sur le blé ont été utilisés dans une approche exploratoire pour tester la sensibilité des épidémies aux propriétés du couvert. Les résultats indiquent que la rouille et la septoriose ne répondent pas de la même façon à tous les traits d’architecture du blé. Il ressort notamment de nos simulations que la dynamique des épidémies dépend de la vitesse relative de croissance et de reproduction du champignon par rapport à la sénescence des feuilles. Ce dernier travail ouvre des perspectives à court terme de simulations et d’expérimentations pour affiner notre compréhension des interactions dans le couvert. Enfin, les modèles qui ont été construits au cours de cette thèse pourront être utilisés dans des contextes d’application différents : aide à l’analyse des épidémies, aide à l’élaboration de modèles plus simples à but opérationnel, ou encore aide à la sélection variétale.Researching new levers for sustainable and rational crop protection requires a better understanding of regulatory mechanisms of epidemics. This doctoral thesis aims at studying interactions between plants and foliar fungi by modeling pathosystems. The objectives were (1) to provide a methodological framework to build epidemic models coupled to FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) to validate our approach by confronting the models to experimental data, and (3) to explore new scenarios in order to highlight plant properties that influence the epidemics according to the type of foliar fungus considered; and this, in varied environmental conditions.This first required to define various concepts and to elaborate new tools to combine models of foliar fungi to FSPM. We have made several reusable and adaptive models available to the scientific community (OpenAlea platform). Three contrasted models of infectious cycles were built or refactored in the form of interoperable components: grapevine powdery mildew, wheat Septoria trici blotch (STB) and wheat brown rust. A fourth model combines the STB and the brown rust on wheat in the same model of pathogen complex. Building these models involved to identify commonalities and specificities of each plant-pathogen couple in the bibliography. Then, the consistency and the accuracy of these models have been tested in comparison to experimental data: detailed field assessments for septoria, and laboratory assessments for brown rust. In addition, the models available on wheat were used in an exploratory approach to test the sensitivity of epidemics to the properties of canopy. The results indicate that rust and septoria do not respond the same way to all the architectural traits of wheat. In particular, it is apparent from the simulations that the dynamics of epidemics depend on the relative rate of growth and reproduction of the fungus in comparison to leaf senescence. This work opens short-term outlooks of simulations and experiments to refine our understanding of the interactions in the canopy. Finally, the models that were built during this thesis can be used in different application contexts: support the analysis of epidemics, support the development of simpler operationally oriented models, or support plant breeding

Vers la compréhension des épidémies fongiques foliaires par modélisation multi-échelle dans les couverts architecturés

Researching new levers for sustainable and rational crop protection requires a better understanding of regulatory mechanisms of epidemics. This doctoral thesis aims at studying interactions between plants and foliar fungi by modeling pathosystems. The objectives were (1) to provide a methodological framework to build epidemic models coupled to FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) to validate our approach by confronting the models to experimental data, and (3) to explore new scenarios in order to highlight plant properties that influence the epidemics according to the type of foliar fungus considered; and this, in varied environmental conditions.This first required to define various concepts and to elaborate new tools to combine models of foliar fungi to FSPM. We have made several reusable and adaptive models available to the scientific community (OpenAlea platform). Three contrasted models of infectious cycles were built or refactored in the form of interoperable components: grapevine powdery mildew, wheat Septoria trici blotch (STB) and wheat brown rust. A fourth model combines the STB and the brown rust on wheat in the same model of pathogen complex. Building these models involved to identify commonalities and specificities of each plant-pathogen couple in the bibliography. Then, the consistency and the accuracy of these models have been tested in comparison to experimental data: detailed field assessments for septoria, and laboratory assessments for brown rust. In addition, the models available on wheat were used in an exploratory approach to test the sensitivity of epidemics to the properties of canopy. The results indicate that rust and septoria do not respond the same way to all the architectural traits of wheat. In particular, it is apparent from the simulations that the dynamics of epidemics depend on the relative rate of growth and reproduction of the fungus in comparison to leaf senescence. This work opens short-term outlooks of simulations and experiments to refine our understanding of the interactions in the canopy. Finally, the models that were built during this thesis can be used in different application contexts: support the analysis of epidemics, support the development of simpler operationally oriented models, or support plant breeding.La recherche de leviers pour une protection durable et raisonnée des cultures passe par une meilleure compréhension des mécanismes de régulation des épidémies. Cette thèse vise à étudier les interactions entre plantes et champignons foliaires par le biais de la modélisation des pathosystèmes. Les objectifs étaient (1) de proposer un cadre méthodologique pour le développement de modèles épidémiques couplés à des modèles de plantes virtuelles de type FSPM (Functional-Structural Plant Models), (2) de valider notre approche en confrontant nos modèles à des données expérimentales et (3) d’explorer des scénarios pour mettre en lumière les propriétés des plantes qui influencent les épidémies selon le type de champignon foliaire ; et ce, dans des conditions environnementales variées.Pour ce faire, nous avons d’abord défini des concepts et élaboré des outils pour coupler des modèles de champignons foliaires à des FSPM. Nous mettons à la disposition de la communauté scientifique plusieurs modèles réutilisables et évolutifs (plateforme OpenAlea). Trois modèles de cycles infectieux contrastés ont été construits ou réorganisés sous forme de composants interopérables : l’oïdium de la vigne, la septoriose du blé et la rouille brune du blé. Un quatrième modèle multi-maladies couple la septoriose et la rouille brune sur le blé. Ces modèles ont nécessité un effort de revue bibliographique pour dégager les points communs et les spécificités de chaque couple plante-pathogène. Puis, la cohérence et la précision de ces modèles a été testée face à des données expérimentales : des notations détaillées de terrain pour la septoriose, et des notations de laboratoire pour la rouille brune. De plus, les modèles disponibles sur le blé ont été utilisés dans une approche exploratoire pour tester la sensibilité des épidémies aux propriétés du couvert. Les résultats indiquent que la rouille et la septoriose ne répondent pas de la même façon à tous les traits d’architecture du blé. Il ressort notamment de nos simulations que la dynamique des épidémies dépend de la vitesse relative de croissance et de reproduction du champignon par rapport à la sénescence des feuilles. Ce dernier travail ouvre des perspectives à court terme de simulations et d’expérimentations pour affiner notre compréhension des interactions dans le couvert. Enfin, les modèles qui ont été construits au cours de cette thèse pourront être utilisés dans des contextes d’application différents : aide à l’analyse des épidémies, aide à l’élaboration de modèles plus simples à but opérationnel, ou encore aide à la sélection variétale