Quel est le potentiel adaptatif de populations de champignon (Zymoseptoria tritici) responsable de la septoriose du blé aux changements globaux (climat)?

Illustrations: A. Symptômes de septoriose du blé. / B. Pycnides de Z. tritici, résultant de la reproduction asexuée. / C . Représentation schématique d’une épidémie deseptoriose, des phases les plus précoces aux phases les plus tardives (d’après Suffert et al., 2015.)

Intitulé complet et acronyme du projet: Réponses de populations locales de Mycosphaerella graminicola aux variations spatiales de 2 facteurs agro-environnementaux majeurs - température et résistance variétale - et inférence de leur potentiel d’adaptation aux changements globaux - SEPTOVAR              Type de projet: émergent         Dates: 2014-2016

Porteur: Frédéric Suffert (BIOGER)        Autres personnes de BIOGER dans le projet: Henriette Goyeau, Thierry Marcel, Sandrine Gélisse, Nathalie Retout, Ghislain Delestre (CDD AI), Jean Legeay (stagiaire M2), Ivan Sache, Florence Carpentier Anne-Lise Boixel (doctorante)

Partenaires:

• dans BASC: ECOSYS: Michaël Chelle, Alain Fortineau       CIRAD, BGPI: Virginie Ravigné
• académique hors BASC: CNRS, IRBI: Sylvain Pincebourde
• non académique: ARVALIS - Institut du Végétal: Romain Valade

====> Le porteur présente en VIDEO les derniers RESULTATS du projet (journées scientifiques du LabEx, janvier 2021)

Le projet SEPTOVAR a permis d’élaborer un projet de thèse qui a démarré à l’automne 2015, porté par Anne-Lise Boixel (doctorante AgroParisTech / ED ABIES). En préalable, l’analyse d’un jeu de données acquis en 2011 a mis en évidence un patron d’adaptation local suggérant qu’une sélection intra-population a lieu à l'échelle annuelle chez Z.tritici et est influencée par les caractéristiques de l’hôte (stade physiologique) et du climat (variations saisonnières de température). Un des principaux objectifs du projet était d’établir expérimentalement, dans un premier temps sans interaction avec la plante hôte, les courbes de réponse à la température (TPCs) de différentes populations françaises de Z. tritici. Pour cela, une méthode in vitro miniaturisée couplée à un travail de modélisation (choix de modèles à ajuster) a été mise au point et validée en 2015 lors d’un stage de M2. Cette méthode a permis de suivre le taux de multiplication cellulaire de Z. tritici (en milieu liquide sur microplaques) par mesure de densité optique à l’aide d’un spectrophotomètre. Elle a été optimisée par Anne-Lise Boixel en 2016 dans le cadre de sa thèse et est désormais utilisée en routine. A ce jour, les TPCs de plus de 350 isolats ont été établies. L’analyse de la façon dont les conditions climatiques peuvent expliquer la variabilité intra- et inter-population à différentes échelles spatio-temporelles est en cours et porte sur plusieurs échelles d’échantillonnage : échelle spatiale française (isolats collectés le long d’un transect Nord-Sud et Ouest-Est ; différences non significatives entre populations), échelle spatiale pan-européenne (isolats collectés dans une dizaine de pays; différences probablement¹ significatives entre populations), échelle temporelle (différences probablement¹ significatives entre sous-populations locales, que les fluctuations saisonnières contribuent à structurer). La question de la variabilité de la température à l'échelle du couvert a également été abordée. Des mesures par thermographie visant à caractériser l'hétérogénéité thermique d’un couvert de blé ont été réalisées à l’aide d’une caméra thermique par Alain Fortineau et Sylvain Pincebourde en 2014 à Grignon. L’interprétation des données est en cours ; ces données (température foliaire,température d'air et radiation) pourront être reliées à la problématique abordée par Anne-Lise Boixel dans sa thèse pour estimer si l'hétérogénéité thermique du couvert peut également expliquer la variabilité spatiale à petite échelle de la performance de Z. tritici. Cliquez sur le poster pour l'agrandir !

_{¹ analyses en cours de finalisation au moment du rapport final de projet (2017)}

Poster du projet issu des journées scientifiques C-BASC 2017:

Publications

> Boixel A-L, Chelle M, Suffert F (2020) Patterns of thermal adaptation in a worldwide plant pathogen: local diversity and plasticity reveal two-tier dynamics. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/2019.12.16.877696 

> Boixel, A.-L., Delestre, G., Legeay, J., Chelle, M., Suffert, F. (2019) Phenotyping Thermal Responses of Yeasts and Yeast-like Microorganisms at the Individual and Population Levels: Proof-of-Concept, Development and Application of an Experimental Framework to a Plant Pathogen. Microb. Ecol. 78, 42–56, doi: 10.1007/s00248-018-1253-6. 

> Boixel A-L, Gélisse S, Marcel T, Suffert F (2019) Differential tolerance to changes in high moisture regime during early infection stages in the fungal pathogen Zymoseptoria tritici. bioRxiv https://doi.org/10.1101/2019.12.16.877696. https://doi.org/10.1101/867572. Résumé: "Foliar plant pathogens require liquid or vapour water for at least part of their development, but their response and their adaptive tolerance to moisture conditions have been much less studied than other meteorological factors to date. We examined the impact on the wheat-Zymoseptoria tritici interaction of altering optimal moisture conditions conducive to infection. We assessed the responses in planta of 48 Z. tritici strains collected in two climatologically distinct locations (Ireland and Israel) to four high moisture regimes differing in the timing and the duration of uninterrupted exposure to saturated relative humidity (100% RH) during the first three days of infection. Individual- and population-level moisture reaction norms expressing how the sporulating area of a lesion change with the RH conditions were established based on visual assessments of lesion development at 14, 17 and 20 days post-inoculation (dpi). Our findings highlighted: (i) a critical time-dependent effect on lesion development of uninterrupted periods of exposure to 100% RH during these earliest infection stages; (ii) a marked interindividual variation in the sensitivity to RH conditions both in terms of strain average moisture response and plasticity; (iii) a higher tolerance – expressed at 14 dpi, not later – of the Israeli population to early interruption of optimal moisture conditions. By indicating that sensitivity to sub-optimal moisture conditions may vary greatly between Z. tritici individuals and populations, this study highlights the evidence of moisture adaptation signature in a plant pathogen. This suggests that understanding such variation will be critical to predict their response to changing climatic conditions."

> Suffert F., Goyeau H., Sache I., Carpentier F., Gélisse S.,  Morais D., Delestre G. (2018). Epidemiological trade-off between intra- and inter annual scales in the evolution of aggressiveness in a local plant pathogen population. Evolutionary Applications.doi: 10.1111/eva.12588** Résumé: "The efficiency of plant resistance to fungal pathogen populations is expected to decrease over time, due to their evolution with an increase in the frequency of virulent or highly aggressive strains. This dynamics may differ depending on the scale investigated (annual or pluriannual), particularly for annual crop pathogens with both sexual and asexual reproduction cycles. We assessed this time-scale effect, by comparing aggressiveness changes in a local Zymoseptoria tritici population over an 8-month cropping season and a 6-year period of wheat monoculture. We collected two pairs of subpopulations to represent the annual and pluriannual scales: from leaf lesions at the beginning and end of a single annual epidemic and from crop debris at the beginning and end of a 6-year period. We assessed two aggressiveness traits—latent period and lesion size—on sympatric and allopatric host varieties. A trend toward decreased latent period concomitant with a significant loss of variability was established during the course of the annual epidemic, but not over the 6-year period. Furthermore, a significant cultivar effect (sympatric vs. allopatric) on the average aggressiveness of the isolates revealed host adaptation, arguing that the observed patterns could result from selection. We thus provide an experimental body of evidence of an epidemiological trade-off between the intra- and interannual scales in the evolution of aggressiveness in a local plant pathogen population. More aggressive isolates were collected from upper leaves, on which disease severity is usually lower than on the lower part of the plants left in the field as crop debris after harvest. We suggest that these isolates play little role in sexual reproduction, due to an Allee effect (difficulty finding mates at low pathogen densities), particularly as the upper parts of the plant are removed from the field, explaining the lack of transmission of increases in aggressiveness between epidemics."

> Suffert F, Ravign. V, Sache I, 2015. Seasonal changes drive short-term selection for fitness traits in the wheat pathogen Zymoseptoria tritici. Applied and Environmental Microbiology 81: 6367-6379. https://doi.org/10.1128/AEM.00529-15. Résumé: "In a cross-infection experiment, we investigated how seasonal changes can affect adaptation patterns in a Zymoseptoria tritici population. The fitness of isolates sampled on wheat leaves at the beginning and at the end of a field epidemic was assessed under environmental conditions (temperature and host stage) to which the local pathogen population was successively exposed. Isolates of the final population were more aggressive, and showed greater sporulation intensity under winter conditions and a shorter latency period (earlier sporulation) under spring conditions, than isolates of the initial population. These differences, complemented by lower between-genotype variability in the final population, exhibited an adaptation pattern with three striking features: (i) the pathogen responded synchronously to temperature and host stage conditions; (ii) the adaptation concerned two key fitness traits; (iii) adaptation to one trait (greater sporulation intensity) was expressed under winter conditions while, subsequently, adaptation to the other trait (shorter latency period) was expressed under spring conditions. This can be interpreted as the result of short-term selection, driven by abiotic and biotic factors. This case study cannot yet be generalized but suggests that seasonality may play an important role in shaping the variability of fitness traits. These results further raise the question of possible counterselection during the interepidemic period. While we did not find any trade-off between clonal multiplication on leaves during the epidemic period and clonal spore production on debris, we suggest that final populations could be counterselected by an Allee effect, mitigating the potential impact of seasonal selection on long-term dynamics."

Thèse

> L’hétérogénéité environnementale, un moteur de l’adaptation à la température des populations d’agents phytopathogènes foliaires ? - Anne-Lise BOIXEL (école doctorale ABIES) soutenue en juin 2020. Résumé: "Les facteurs environnementaux, au premier rang desquels la température, ont un impact sur la biologie des micro-organismes foliaires. Ils peuvent aussi modifier significativement leurs dynamiques populationnelles, voire leurs trajectoires évolutives. Classiquement, les modèles épidémiologiques, utilisés pour mieux gérer les maladies des plantes, intègrent l’influence des conditions météorologiques. Ils s’intéressent surtout à des réponses et des effets moyennés, ne tenant compte ni des variations des réponses individuelles, ni de l’hétérogénéité des changements environnementaux aux échelles réellement perçues par les agents pathogènes. Ces deux niveaux de simplification sont acceptables lorsque les états individuels et les variables continues qui leur sont associées, peu diversifiés, sont représentatifs de ceux de l'ensemble de la population. Il en va différemment lorsque les populations présentent des niveaux substantiels de variation individuelle susceptibles d’influencer leur capacité à s’adapter à leur environnement, et, par voie de conséquence, la dynamique des épidémies sous un climat fluctuant ou changeant. Pour mettre en évidence les conséquences de ces hypothèses réductrices, j’ai étudié comment la variation individuelle et l'hétérogénéité environnementale affectent simultanément la fitness, la composition phénotypique et la résilience des populations d'un agent pathogène foliaire (Zymoseptoria tritici) dans des couverts de blé. Trois étapes clés ont structuré l’exploration de ce cas d’étude. Tout d’abord, un protocole in vitro de phénotypage haut débit a été spécifiquement développé, validé et utilisé pour caractériser la diversité des réponses à la température de populations de Z. tritici échantillonnées à des échelles climatiques contrastées (variation spatiale et saisonnière) ainsi que leurs patrons d’adaptation. Les variations environnementales spatio-temporelles rencontrées dans les couverts de blé, considérées comme exerçant des pressions sélectives différentielles sur ces sensibilités thermiques individuelles, ont ensuite été examinées. Enfin, la façon dont la sélection de « thermotypes » (groupes fonctionnels rassemblant des individus présentant une même sensibilité thermique) détermine la dynamique adaptative des populations en réponse à l'hétérogénéité environnementale a été étudiée. Pour cela, des approches expérimentales (in vitro, in planta et in natura) et de modélisation (in silico) ont été couplées. Elles ont notamment porté sur plusieurs générations de populations placées dans des environnements sélectifs de plus en plus complexes. Ces travaux ont montré que le fait de négliger l'amplitude réelle de la variation phénotypique inter-individuelle d'une population microbienne et l'hétérogénéité des pressions de sélection, s’exerçant des échelles phyllo- à mésoclimatiques, conduit à sous-estimer la résilience de cette population, et donc son potentiel adaptatif. Les résultats de cette thèse, à l’interface entre épidémiologie, micrométéorologie et écologie, améliorent notre compréhension d’une part, de l'importance de la variation individuelle dans la dynamique adaptative des populations et, d’autre part, de la manière dont l'hétérogénéité environnementale permet de maintenir des populations globalement très diverses. Elle permet finalement d’expliquer l’existence de patrons d’adaptation, à la fois à des échelles locales et à des échelles très larges, par des dynamiques adaptatives «à deux vitesses»."