Evolution d’agents pathogènes vis-à-vis de la résistance partielle du piment : impact sur leur multiplication in planta, sur leur virulence et sur la tolérance de l’hôte

Breeding resistant cultivars is an efficient way of preventing the development of plant pathogens and of avoiding the use of pesticides. Partial resistance with polygenic determinism imposes a lower selection pressure on pathogen populations than total resistance with monogenic determinism, and is thus considered to have a higher durability potential. Moreover, host tolerance, which reduces the damages due to pathogen infection, is also considered as an efficient and potentially durable way to reduce economic losses. The main objective of this PhD thesis is to highlight factors influencing the pathogen adaptation to plant resistance. First, an analytical review of the literature showed that the statistical interaction between the resistance type (total vs. partial) and the pathogen group is a key factor determining the durability of plant resistance. Secondly, an experimental evolution protocol was carried out to assess the evolutionary potential of Potato virus Y (PVY) and the oomycete Phytophthora capsici on several pepper lines contrasted for alleles at quantitative trait loci (QTLs) controlling the host resistance. Depending on the pepper line, experimentally-evolved PVY populations showed a higher or lower within-plant accumulation and a higher or lower virulence (i.e. intensity of damages induced to their host) compared to the initial strains. Lower host tolerance was associated with all PVY populations that evolved towards a higher virulence. In contrast, a lower host tolerance was associated with a single PVY populations showing significant increase of within-plant accumulation. Increases in viral accumulation within the host were observed specifically on the most resistant pepper line, which also imposed a lower level of genetic drift at the inoculation step on the PVY populations. Mutations which occurred during the experimental evolutions were associated with changes in virulence and viral accumulation, and their role will be further assessed by reverse genetics using a PVY infectious clone. Considering P. capsici, more virulent populations were selected on the pepper line carrying exclusively minor-effect QTLs, while the pepper line carrying a major-effect resistance QTL selected populations with a lower level of adaptation. Point mutations and larger mutational events associated to these changes will also be assessed. Hence, this PhD showed that pathogen adaptation to host resistance is influenced by (i) the statistical interaction between the resistance type and the pathogen group, (ii) the combination of resistance alleles at QTLs carried by the host, and (iii) the level of genetic drift imposed by the host on the pathogen. Experimental evolution is therefore recommended to identify new genetic determinants increasing host durability and to deploy cultivars with the most durable resistance, in order to improve current strategies for deployment of resistant and tolerant cultivars.La sélection de variétés résistantes est un moyen de lutte efficace contre le développement des agents phytopathogènes, sans utiliser les pesticides. Les résistances partielles aux maladies, souvent à déterminisme polygénique, exercent une pression de sélection plus faible sur les populations d’agents pathogènes que les résistances totales, généralement à déterminisme monogénique, et ont donc un potentiel de durabilité plus élevé. De plus, la tolérance, qui réduit les dommages infligés par un agent pathogène à son hôte, constitue un moyen de lutte efficace pour réduire l’impact économique des agents pathogènes. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'adaptation des agents pathogènes aux résistances variétales. Une revue systématique de la bibliographie a indiqué que l’interaction statistique entre le type de résistance (totale vs. partielle) et le groupe d’agent pathogène est un facteur clef pour la durabilité des résistances variétales. Les travaux expérimentaux ont porté sur l’évolution du Potato virus Y (PVY) et de l’oomycète Phytophthora capsici sur des lignées apparentées de piment contrastées pour leurs allèles aux QTL (quantitative trait loci) de résistance. Pour le PVY, des populations présentant une accumulation virale in planta, accrue ou diminuée, ou induisant plus de dommages à leur hôte (i.e. plus virulentes) ont été sélectionnées en fonction de la lignée de piment sur laquelle la population virale a évolué. Une tolérance de l’hôte plus faible a été observée pour toutes les populations où une augmentation en virulence a été observée, alors qu’une tolérance de l’hôte plus faible n’a été observée que pour une seule population montrant une augmentation en accumulation virale. Les augmentations en accumulation virale in planta ont été étaient observées spécifiquement chez la lignée de piment la plus résistante et imposant un faible niveau de dérive génétique à la population de PVY à l’étape d’inoculation. Des mutations apparues au cours des évolutions expérimentales ont été associées aux changements en virulence et en accumulation virale et leur implication sera prochainement évaluée par génétique inverse à l’aide d’un clone infectieux de PVY. Pour P. capsici, des populations adaptées ont été sélectionnées sur la lignée possédant uniquement des QTL de résistance à effet mineur. A l’inverse, la lignée possédant un QTL à effet majeur a fréquemment sélectionné des populations montrant des baisses d’adaptation. Les mutations ponctuelles et les évènements d’insertion/délétion associées à ces phénotypes seront identifiées ultérieurement, par séquençage. Ainsi, les travaux de thèse indiquent que l’adaptation des agents pathogènes à leur hôte est influencée par (i) l’interaction entre le type de résistance (totale ou partielle) et le groupe d’agent pathogène, (ii) les combinaisons en allèles aux QTL de résistance du piment et (iii) le niveau de dérive génétique imposée par l’hôte à la population d’agent pathogène. Des évolutions expérimentales sont donc recommandées afin de déployer les résistances variétales les plus durables et de déterminer d’autres facteurs de durabilité pour améliorer les stratégies de déploiement de variétés résistantes ou de tolérantes

Pathogen evolution on partially resistant pepper : impact on their in planta multiplication, their virulence and on host tolerance

La sélection de variétés résistantes est un moyen de lutte efficace contre le développement des agents phytopathogènes, sans utiliser les pesticides. Les résistances partielles aux maladies, souvent à déterminisme polygénique, exercent une pression de sélection plus faible sur les populations d’agents pathogènes que les résistances totales, généralement à déterminisme monogénique, et ont donc un potentiel de durabilité plus élevé. De plus, la tolérance, qui réduit les dommages infligés par un agent pathogène à son hôte, constitue un moyen de lutte efficace pour réduire l’impact économique des agents pathogènes. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier l'adaptation des agents pathogènes aux résistances variétales. Une revue systématique de la bibliographie a indiqué que l’interaction statistique entre le type de résistance (totale vs. partielle) et le groupe d’agent pathogène est un facteur clef pour la durabilité des résistances variétales. Les travaux expérimentaux ont porté sur l’évolution du Potato virus Y (PVY) et de l’oomycète Phytophthora capsici sur des lignées apparentées de piment contrastées pour leurs allèles aux QTL (quantitative trait loci) de résistance. Pour le PVY, des populations présentant une accumulation virale in planta, accrue ou diminuée, ou induisant plus de dommages à leur hôte (i.e. plus virulentes) ont été sélectionnées en fonction de la lignée de piment sur laquelle la population virale a évolué. Une tolérance de l’hôte plus faible a été observée pour toutes les populations où une augmentation en virulence a été observée, alors qu’une tolérance de l’hôte plus faible n’a été observée que pour une seule population montrant une augmentation en accumulation virale. Les augmentations en accumulation virale in planta ont été étaient observées spécifiquement chez la lignée de piment la plus résistante et imposant un faible niveau de dérive génétique à la population de PVY à l’étape d’inoculation. Des mutations apparues au cours des évolutions expérimentales ont été associées aux changements en virulence et en accumulation virale et leur implication sera prochainement évaluée par génétique inverse à l’aide d’un clone infectieux de PVY. Pour P. capsici, des populations adaptées ont été sélectionnées sur la lignée possédant uniquement des QTL de résistance à effet mineur. A l’inverse, la lignée possédant un QTL à effet majeur a fréquemment sélectionné des populations montrant des baisses d’adaptation. Les mutations ponctuelles et les évènements d’insertion/délétion associées à ces phénotypes seront identifiées ultérieurement, par séquençage. Ainsi, les travaux de thèse indiquent que l’adaptation des agents pathogènes à leur hôte est influencée par (i) l’interaction entre le type de résistance (totale ou partielle) et le groupe d’agent pathogène, (ii) les combinaisons en allèles aux QTL de résistance du piment et (iii) le niveau de dérive génétique imposée par l’hôte à la population d’agent pathogène. Des évolutions expérimentales sont donc recommandées afin de déployer les résistances variétales les plus durables et de déterminer d’autres facteurs de durabilité pour améliorer les stratégies de déploiement de variétés résistantes ou de tolérantes.Breeding resistant cultivars is an efficient way of preventing the development of plant pathogens and of avoiding the use of pesticides. Partial resistance with polygenic determinism imposes a lower selection pressure on pathogen populations than total resistance with monogenic determinism, and is thus considered to have a higher durability potential. Moreover, host tolerance, which reduces the damages due to pathogen infection, is also considered as an efficient and potentially durable way to reduce economic losses. The main objective of this PhD thesis is to highlight factors influencing the pathogen adaptation to plant resistance. First, an analytical review of the literature showed that the statistical interaction between the resistance type (total vs. partial) and the pathogen group is a key factor determining the durability of plant resistance. Secondly, an experimental evolution protocol was carried out to assess the evolutionary potential of Potato virus Y (PVY) and the oomycete Phytophthora capsici on several pepper lines contrasted for alleles at quantitative trait loci (QTLs) controlling the host resistance. Depending on the pepper line, experimentally-evolved PVY populations showed a higher or lower within-plant accumulation and a higher or lower virulence (i.e. intensity of damages induced to their host) compared to the initial strains. Lower host tolerance was associated with all PVY populations that evolved towards a higher virulence. In contrast, a lower host tolerance was associated with a single PVY populations showing significant increase of within-plant accumulation. Increases in viral accumulation within the host were observed specifically on the most resistant pepper line, which also imposed a lower level of genetic drift at the inoculation step on the PVY populations. Mutations which occurred during the experimental evolutions were associated with changes in virulence and viral accumulation, and their role will be further assessed by reverse genetics using a PVY infectious clone. Considering P. capsici, more virulent populations were selected on the pepper line carrying exclusively minor-effect QTLs, while the pepper line carrying a major-effect resistance QTL selected populations with a lower level of adaptation. Point mutations and larger mutational events associated to these changes will also be assessed. Hence, this PhD showed that pathogen adaptation to host resistance is influenced by (i) the statistical interaction between the resistance type and the pathogen group, (ii) the combination of resistance alleles at QTLs carried by the host, and (iii) the level of genetic drift imposed by the host on the pathogen. Experimental evolution is therefore recommended to identify new genetic determinants increasing host durability and to deploy cultivars with the most durable resistance, in order to improve current strategies for deployment of resistant and tolerant cultivars

Robustesse de l'immunité du piment à Phytophthora capsici face à une perturbation thermique

National audienceLa réponse des plantes à l’attaque d’un agent pathogène est dépendante de l’environnement dans lequel elle se trouve. Dans un contexte de changement climatique, et donc de forte augmentation de la variabilité environnementale, il est difficile de prédire la réponse des plantes. Il est alors important de développer des variétés dont le phénotype est stable quel que soit l’environnement de culture. Ce phénomène correspond à la robustesse, qui est définie par une variation faible, voire nulle, d’un trait face à une perturbation donnée. Ce concept, à l’origine identifié chez les animaux, est encore peu étudié chez les plantes. Identifier les régions du génome contrôlant la robustesse d’un trait serait une grande avancée pour l’amélioration des plantes, permettant par exemple de créer des variétés dont l’immunité serait stable. Nos recherches s’intéressent à la robustesse de l’immunité du piment face à une perturbation thermique. Nous avons pour objectifs principaux de (i) définir des méthodes d’estimation de la robustesse d’un trait et (ii) d’identifier les régions du génome qui y sont associées. Pour cela, nous avons mesuré l’immunité d’une collection représentative de la diversité génétique du piment (Capsicum annuum L.) à Phytophthora capsici, dans deux environnements thermiques contrastés. Plusieurs estimateurs de la robustesse de l’immunité entre les deux environnements testés ont été comparés entre eux. L’immunité au sein de chaque environnement est également étudiée. L’obtention, en cours, d’une carte de marqueurs SNP (single-nucleotide polymorphisms) à haute densité par capture de gènes permettra d’identifier, par génétique d’association (genome-wide association studies ou GWAS), les régions du génome du piment responsables de (i) l’immunité à Phytophthora capsici sous chacun des deux environnements testés et (ii) la robustesse de l’immunité face à une perturbation thermique

Robustesse de l'immunité du piment à Phytophthora capsici face à une perturbation thermique

National audienceLa réponse des plantes à l’attaque d’un agent pathogène est dépendante de l’environnement dans lequel elle se trouve. Dans un contexte de changement climatique, et donc de forte augmentation de la variabilité environnementale, il est difficile de prédire la réponse des plantes. Il est alors important de développer des variétés dont le phénotype est stable quel que soit l’environnement de culture. Ce phénomène correspond à la robustesse, qui est définie par une variation faible, voire nulle, d’un trait face à une perturbation donnée. Ce concept, à l’origine identifié chez les animaux, est encore peu étudié chez les plantes. Identifier les régions du génome contrôlant la robustesse d’un trait serait une grande avancée pour l’amélioration des plantes, permettant par exemple de créer des variétés dont l’immunité serait stable. Nos recherches s’intéressent à la robustesse de l’immunité du piment face à une perturbation thermique. Nous avons pour objectifs principaux de (i) définir des méthodes d’estimation de la robustesse d’un trait et (ii) d’identifier les régions du génome qui y sont associées. Pour cela, nous avons mesuré l’immunité d’une collection représentative de la diversité génétique du piment (Capsicum annuum L.) à Phytophthora capsici, dans deux environnements thermiques contrastés. Plusieurs estimateurs de la robustesse de l’immunité entre les deux environnements testés ont été comparés entre eux. L’immunité au sein de chaque environnement est également étudiée. L’obtention, en cours, d’une carte de marqueurs SNP (single-nucleotide polymorphisms) à haute densité par capture de gènes permettra d’identifier, par génétique d’association (genome-wide association studies ou GWAS), les régions du génome du piment responsables de (i) l’immunité à Phytophthora capsici sous chacun des deux environnements testés et (ii) la robustesse de l’immunité face à une perturbation thermique

Cross-adaptation of endive necrotic mosaic potyvirus to different species of the Asteraceae is due to VPg mutations with pleiotropic effects

National audienceCross-adaptation occurs when adaptation to a novel environment, for example a novel host species, drives also an adaptation to another environment to which the organism was not exposed and that did not act as a selection factor. In natural conditions, endive necrotic mosaic virus (ENMV) is mostly confined to wild salsify (Tragopogon pratensis) and infects occasionally lettuce (Lactuca sativa) crops. To investigate the capacity of viruses to infect novel host species and the associated mechanisms, we performed an experimental evolution of ENMV in five species of the family Asteraceae (L. sativa, T. pratensis, Calendula arvensis, Zinnia elegans or Cichorium endivia). Increase in viral pathogenicity was observed in C. arvensis and Z. elegans only and crossadaptations between C. arvensis and Z. elegans were also noticed. Parallel nonsynonymous substitutions were observed at different nucleotide positions in the VPg cistron of the adapted ENMV populations, and were candidates for the observed pathogenicity changes. Some of these were shared between C. arvensis- and Z. elegans-evolved populations, and could explain the crossadaptations. Using a reverse genetics approach with an infectious cDNA clone of ENMV, we validated that several of these mutations were sufficient to confer adaptation to C. arvensis, Z. elegans or both. This result indicates that the molecular mechanisms involved in host jumps of ENMV, i.e. adaptation to novelspecies, can be similar to those involved in resistance breakdown for other potyviruses, i.e.adaptation to novel genotypes carrying resistance genes within a species, since they involve thesame viral protein and, partly, the same protein domains. Using a larger set of species of the Asteraceae, we are now testing the hypothesis that such crossadaptationsoccur preferentially at the within-tribe level in this botanical family

Cross-adaptation of endive necrotic mosaic potyvirus to different species of the Asteraceae is due to VPg mutations with pleiotropic effects

National audienceCross-adaptation occurs when adaptation to a novel environment, for example a novel host species, drives also an adaptation to another environment to which the organism was not exposed and that did not act as a selection factor. In natural conditions, endive necrotic mosaic virus (ENMV) is mostly confined to wild salsify (Tragopogon pratensis) and infects occasionally lettuce (Lactuca sativa) crops. To investigate the capacity of viruses to infect novel host species and the associated mechanisms, we performed an experimental evolution of ENMV in five species of the family Asteraceae (L. sativa, T. pratensis, Calendula arvensis, Zinnia elegans or Cichorium endivia). Increase in viral pathogenicity was observed in C. arvensis and Z. elegans only and crossadaptations between C. arvensis and Z. elegans were also noticed. Parallel nonsynonymous substitutions were observed at different nucleotide positions in the VPg cistron of the adapted ENMV populations, and were candidates for the observed pathogenicity changes. Some of these were shared between C. arvensis- and Z. elegans-evolved populations, and could explain the crossadaptations. Using a reverse genetics approach with an infectious cDNA clone of ENMV, we validated that several of these mutations were sufficient to confer adaptation to C. arvensis, Z. elegans or both. This result indicates that the molecular mechanisms involved in host jumps of ENMV, i.e. adaptation to novelspecies, can be similar to those involved in resistance breakdown for other potyviruses, i.e.adaptation to novel genotypes carrying resistance genes within a species, since they involve thesame viral protein and, partly, the same protein domains. Using a larger set of species of the Asteraceae, we are now testing the hypothesis that such crossadaptationsoccur preferentially at the within-tribe level in this botanical family

Change of paradigm for breeding disease resistant cultivars robust to varying environments: estimators of the robustness of plant immunity and promising genes for the future

International audienc

Change of paradigm for breeding disease resistant cultivars robust to varying environments: estimators of the robustness of plant immunity and promising genes for the future

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Change of paradigm for breeding disease resistant cultivars robust to varying environments: estimators of the robustness of plant immunity and promising genes for the future

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Outside the wild: Risks and mechanisms of host jumps of endive necrotic mosaic potyvirus

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