Explorative metabarcoding of Abies balsamea L. Mill. endomycobiota

L’étude des champignons endophytes, ainsi que celle des autres composants du microbiote des plantes, a fortement bénéficié du développement des techniques de séquençage à haut débit à la fin des années 2000. Ces progrès technologiques ont notamment permis la popularisation du métabarcoding, une approche servant à identifier les composants de la biodiversité et d’étudier leur distribution au sein d’échantillons environnementaux grâce à leur contenu en ADN. L’abondance des données produites, ainsi que la standardisation de la préparation des échantillons permises par ces techniques de séquençage ont modifié en profondeur la perception de l’ampleur de la diversité fongique. Cependant, les préceptes de l’endophytologie fongique restent majoritairement dictés par les études basées sur les mises en culture bien qu’elles ne parviennent, comme l’ont démontré les études moléculaires, qu’à récolter une partie de la diversité fongique. Les techniques de séquençage à haut débit ne sont pas sans biais elles aussi puisqu’elles tendent à majorer les estimations de la biodiversité même avec les analyses les plus poussées. Les objectifs principaux de cette thèse étaient tout d’abord de développer une approche analytique rigoureuse afin d’estimer de façon conservatrice la biodiversité associée aux données issues du pyroséquençage 454; puis, de développer une meilleure compréhension de la structure de l’endomycobiote des arbres en milieu forestier tout en remettant en question les conclusions des études basées sur les mises en culture. La surestimation de la biodiversité est essentiellement liée à la conservation de séquences erronées qui participent à la formation du nombre important de singletons et doubletons généralement observés avec les techniques de séquençage à haut débit. Trois sources d’erreurs prédominent: la formation de chimères, la substitution de nucléotides lors de l’amplification et les erreurs de séquençage. Nous avons posé l’hypothèse que la sélection d’un sous fragment du code-barres moléculaire fongique, basée sur des propriétés particulières, pourrait si ce n’est identifier formellement ces séquences comme erronées, du moins limiter leur effet sur l’estimation de la biodiversité. Le fragment que nous avons considéré se compose du résidu de la petite sous-unité ribosomique (pSSU) situé à la suite de l’amorce ITS1F, et de l’espaceur transcrit interne 1 (ITS1). Nous avons montré qu’utiliser ce fragment pour analyser les données permet d’améliorer la sensibilité de la détection des chimères. La substitution de nucléotides ainsi que les erreurs de séquençage sont des phénomènes rares, et les séquences erronées sont donc faiblement représentées et relativement similaires à des séquences réelles et abondantes. Nous avons donc posé l’hypothèse qu’inclure le pSSU, dont la variabilité est plus faible que celle de l’ITS1, puisse étouffer l’impact de ces erreurs. Les séquences potentiellement erronées ont été regroupées avec les séquences réelles et abondantes dont elles déviaient, permettant ainsi de réduire la formation des singletons et des doubletons. Suite à cela, nous avons donc développé une méthode afin d’extraire directement le fragment pSSU-ITS1 des amplicons du code-barres fongique. À partir de l’endomycobiote d’un unique sapin baumier que nous avons analysé afin d’évaluer notre traitement de données dans notre premier chapitre, nous avons observé qu’utiliser le fragment pSSU-ITS1 en lieu et place de seulement l’ITS1 n’affecte pas les conclusions sur la structure de la communauté des champignons endophytes. Bien qu’il faille le considérer dans le cadre d’un échantillonnage limité, nous avons évalué, semble-t-il pour la première fois, l’ampleur de la diversité des champignons endophytes recueillis dans un arbre à un moment donné et extrapolé cette richesse à 2 536 ± 73 mOTUs. Nous avons confirmé dans notre second chapitre que les champignons endophytes présentent une certaine spécificité de tissu puisque l’endomycobiote des branches de sapins baumiers se divise selon le type de tissu considéré plutôt que de former une entité ubiquitaire uniformément répartie dans l’ensemble des branches. Enfin, dans notre dernier chapitre, nous avons montré que les mécanismes impliqués dans la colonisation de la plante hôte par les champignons endophytes se révèlent d’une complexité et d’une dynamique plus importantes que le processus d’accumulation passive suggéré par les études basées sur les mises en culture: les quatre dernières cohortes d’aiguilles de sapins baumiers que nous avons étudiées présentaient une diversité relativement conservée, mais des communautés différentes.As for the studies of other members of the plant microbiota, fungal endophytology has vastly benefited from the development of High Throughput Sequencing techniques in the late 2000s. This technological progress has notably allowed for the popularization of metabarcoding, i.e. a DNA-based approach to identify biodiversity components from environmental samples and study the community composition and distribution. The massive production of data, and the standardization in the sample preparations associated with such methods, have deeply modified the perception of the extent of the fungal biodiversity. Yet fungal endophytology precepts remain largely inherited from culture-dependent methods which have been shown to yield a more fractioned portion of the biodiversity than the molecular-based approach, as many fungi are not amenable to standard culturing. HTS techniques are not without drawbacks either as they tend to inflate the biodiversity estimates even with state of the art analysis. The main goals of this thesis were first to develop a more rigorous approach to analyse data obtained from 454 pyrosequencing, one of the original HTS techniques, in order to estimate conservatively the biodiversity; and then to develop a better understanding of the structure of forest trees endomycobiota and challenge earlier conclusions based on culture-dependent methods. Inflation of the biodiversity is mostly due to remaining undetected erroneous sequences partially forming the large number of singletons and doubletons generally observed with HTS based studies. Three sources of error are significant: PCR chimeras, PCR single base substitutions, and sequencing error. Here we hypothesized that the selection of a sub-region of the fungal barcode displaying particular characteristics might, if not formally assess erroneous sequences as such, at least limit their impact on the estimation of the diversity. We thus considered a fragment composed of the partial ribosomal small sub-unit immediately following the ITS1F primer in addition of the ITS1 sub-locus (pSSU-ITS1). We showed that basing the analysis on the pSSU-ITS1 fragment enhances the sensitivity of chimera detection. As PCR single base substitutions and sequencing errors remain rare events, spurious sequences are rare too and somewhat similar to true abundant sequences. We hypothesized that the presence of the pSSU, whose variability is lower than that of the ITS1 sub-locus, might buffer these errors. Putative rare spurious sequences were grouped with the true abundant sequences they deviated from, thus reducing the proportion of singletons and doubletons. We then developed an approach to readily extract this pSSU-ITS1 fragment from fungal ITS amplicons. We observed from the endomycobiota of a single balsam fir that we produced to test our data treatment in the first chapter that considering the pSSU-ITS1 fragment did not alter the conclusions on the structure of the fungal endophytic community from ITS1 analysis. While it has to be considered with appropriate reservations due to the limited sampling, we also estimated, for the first time to the best of our knowledge, the extent of the fungal endophyte biodiversity harboured by a single tree at a precise time with an extrapolation of 2 536 ± 73 mOTUs. In the second chapter on the endomycobiota present in the different tissue types of balsam fir branches, we confirm that some tissue specificity is exhibited by fungal endophytes as our results suggest that the aerial endomycobiota of balsam fir trees might be fractioned in distinct communities depending on the tissue types. Finally, in the third chapter, we reveal that the mechanisms of colonization of the host plant by fungal endophytes might be more complex and dynamic that the suggested passive accumulation hinted by culture-dependent methods. The last four cohorts of needles from balsam fir sampled displayed relatively similar diversities, but harboured distinct communities

Facilitating the adoption of high‐throughput sequencing technologies as a plant pest diagnostic test in laboratories: A step‐by‐step description

International audienceHigh-throughput sequencing (HTS) is a powerful tool that enables the simultaneous detection and potential identification of any organisms present in a sample. The growing interest in the application of HTS technologies for routine diagnostics in plant health laboratories is triggering the development of guidelines on how to prepare laboratories for performing HTS testing. This paper describes general and technical recommendations to guide laboratories through the complex process of preparing a laboratory for HTS tests within existing quality assurance systems. From nucleic acid extractions to data analysis and interpretation, all of the steps are covered to ensure reliable and reproducible results. These guidelines are relevant for the detection and identification of any plant pest (e.g. arthropods, bacteria, fungi, nematodes, invasive plants or weeds, protozoa, viroids, viruses), and from any type of matrix (e.g. pure microbial culture, plant tissue, soil, water), regardless of the HTS technology (e.g. amplicon sequencing, shotgun sequencing) and of the application (e.g. surveillance programme, phytosanitary certification, quarantine, import control). These guidelines are written in general terms to facilitate the adoption of HTS technologies in plant pest routine diagnostics and enable broader application in all plant health fields, including research. A glossary of relevant terms is provided among the Supplementary Material

Guidelines for the reliable use of high throughput sequencing technologies to detect plant pathogens and pests

High-throughput sequencing (HTS) technologies have the potential to become one of the most significant advances in molecular diagnostics. Their use by researchers to detect and characterize plant pathogens and pests has been growing steadily for more than a decade and they are now envisioned as a routine diagnostic test to be deployed by plant pest diagnostics laboratories. Nevertheless, HTS technologies and downstream bioinformatics analysis of the generated datasets represent a complex process including many steps whose reliability must be ensured. The aim of the present guidelines is to provide recommendations for researchers and diagnosticians aiming to reliably use HTS technologies to detect plant pathogens and pests. These guidelines are generic and do not depend on the sequencing technology or platform. They cover all the adoption processes of HTS technologies from test selection to test validation as well as their routine implementation. A special emphasis is given to key elements to be considered: undertaking a risk analysis, designing sample panels for validation, using proper controls, evaluating performance criteria, confirming and interpreting results. These guidelines cover any HTS test used for the detection and identification of any plant pest (viroid, virus, bacteria, phytoplasma, mycetes, nematodes, arthropods, plants) from any type of matrix. Overall, their adoption by diagnosticians and researchers should greatly improve the reliability of pathogens and pest diagnostics and foster the use of HTS technologies in plant health