Diagnostic et inférence de l'histoire évolutive des lignées endémiques et pandémiques de Pyricularia oryzae causant la pyriculariose du riz, du blé, et d'autres Poacées sauvages

Thierry Maud. 2019. Diagnostic et inférence de l'histoire évolutive des lignées endémiques et pandémiques de Pyricularia oryzae causant la pyriculariose du riz, du blé, et d'autres Poacées sauvages. Montpellier : Montpellier SupAgro, 180 p. Thèse de doctorat : Mécanismes des interactions parasitaires pathogènes et symbiotiques : Montpellier SupAgro

Titre anglais : Diagnostic and inference of the evolutionary history of endemic and pandemic strains of Pyricularia oryzae causing rice, wheat and other Poaceae blast

Encadrement : Tharreau, Didier ; Ioos, Renaud

Résumé : L'étude de la structure génétique des populations d'une espèce à partir de données génomiques permet de comprendre son évolution, l'histoire de la propagation des individus, ses modes de reproduction ou les échanges de matériel génétique entre populations. Dans le cas d'espèces de microorganismes pathogènes, caractériser la structure et en comprendre les causes peut apporter des connaissances cruciales pour la gestion des épidémies ou la prédiction de leur évolution. Le champignon ascomycète Pyricularia oryzae infecte de nombreuses espèces de poacées et est responsable à lui seul de plus de 4% de perte de rendement sur la production mondiale de riz. En 1985, un saut d'hôte a entrainé l'émergence de la pyriculariose du blé. Les épidémies sur cette céréale restaient circonscrites à l'Amérique du sud mais ont émergés très récemment en Asie. L'étude de 81 génomes de P. oryzae prélevés de différentes espèces de poacées a confirmé l'existence de lignées hôte-spécifiques. Parmi celles-ci, la lignée Oryza (pathogène du riz) au sein de laquelle des groupes génétiques différenciés ont également été mis en évidence. Cependant, les facteurs impliqués dans cette différenciation ne sont pas connus. Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure des populations au sein de P. oryzae et avait deux objectifs principaux : i) mettre en évidence des polymorphismes spécifiques de la lignée Triticum responsable des épidémies de pyriculariose du blé afin de développer des outils de diagnostic essentiels pour éviter l'introduction de l'agent pathogène dans des régions encore indemnes de cette maladie ; ii) Affiner nos connaissances sur les lignées existantes au sein de la lignée Oryza et déterminer les facteurs responsables de cette structure génétique. La propagation sur de longue distance de la pyriculariose du blé est rendu possible par le transport de matériel biologique contaminé, comme les semences. La mise au point de méthodes de détection fiables de l'agent pathogène est donc cruciale pour éviter son importation dans de nouvelles régions. La structure en lignée hôte spécifique précédemment établie à mis en évidence la lignée Triticum regroupant les isolats responsables des épidémies de pyriculariose du blé. Une approche de comparaison de génomes développée au cours de cette thèse a permis d'identifier de multiples allèles spécifiques de la lignée Triticum. Ces allèles ont été ciblés pour le développement de tests moléculaires de détection utilisant plusieurs techniques d'amplification. Des tests de PCR conventionnelle, de PCR en temps-réel et LAMP (amplification isothermale) ciblant plusieurs régions génomiques ont été développés et améliorent la détection de l'agent pathogène. L'application de ces tests à la détection sur des semences infectées a également été vérifiée. Afin de préciser la structure des populations au sein de la lignée infectant le riz (lignée Oryza) et d'améliorer nos connaissances sur son histoire évolutive un jeu de données de 5000 SNPs caractérisés chez 900 isolats couvrant l'aire de répartition de l'agent pathogène a été analysé. Nos analyses mettent en évidence quatre lignées majeures, dont deux lignées clonales pandémiques, une lignée clonale essentiellement Sud-Asiatique, et une lignée recombinante fréquente en Asie du Sud-Est. La lignée recombinante présente de plus une sous-structure géographique. Les barrières aux flux gènes permettant le maintien de cette structure génétique ont été recherchées. Une forte corrélation entre aire de répartition des lignées et données climatiques a été mise en évidence. Des adaptations différentielles de ces lignées à des facteurs environnementaux (température et plante hôte) ont ensuite été évaluées identifiant des différences de largeur de spectres d'hôte entre lignées. De fortes barrières à la reproduction ont également été révélées, ainsi qu'une perte de fertilité dans certaines lignées, limitant le flux de gènes entre ces lignées

Résumé (autre langue) : Studying the genetic structure of populations within a species using genomic data provides insights into their evolution, the spread of individuals, the mode of reproduction or the existence of gene flow between populations. Regarding pathogenic species, understanding the genetic structure can be key for the management of epidemics or the prediction of their evolution. The fungal species Pyricularia oryzae infects many Poaceae species and is responsible for more than 4% yield loss on global rice production. In 1985, a host jump led to the emergence of wheat blast. Epidemics on this cereal were limited to South America but emerged very recently in Asia. The study of 81 genomes of P. oryzae collected from different species of Poaceae confirmed host-specific lineages. Differentiated genetic groups have been identified among the Oryza lineage (composed of rice pathogen isolates). The factors involved in this differentiation, however, are not known. This work is focused on the population structure within P. oryzae and had two main objectives: i) to identify alleles specific to the Triticum lineage causing wheat blast epidemics in order to develop diagnostic tools to prevent the introduction of the pathogen in disease-free areas; ii) Increase knowledge about extant lineages within the Oryza lineage and identify the factors causing the genetic structure. The long-range spread of wheat blast is attributed to the transport of contaminated biological material. The development of reliable pathogen detection methods is therefore crucial to avoid the importation of the pathogen into new areas. The previously established structure in P. oryzae highlighted the Triticum lineage as responsible for wheat blast epidemics. A genome comparison approach developed during this thesis identified multiple alleles highly specific of the Triticum lineage. These alleles were subsequently targeted for the development of molecular detection tests using several amplification techniques. Conventional PCR, real-time PCR and LAMP (Isothermal Amplification) assays, targeting several genomic regions, were developed and improved the detection of the pathogen. The application of these tests to the detection from infected seeds was shown. To clarify the population structure within the rice-infecting Oryza lineage and to improve our knowledge of its evolutionary history, a dataset of 5000 SNPs characterized for 900 isolates covering the geographic range of the pathogen was analysed. Our analysis showed four major lineages, including two pandemic clonal lineages, a predominantly South Asian clonal lineage, and a recombinant lineage common in Southeast Asia. The recombinant lineage also had a geographical sub-structure. The barriers to gene flow allowing the maintenance of the genetic structure have been investigated. A strong correlation between lineage geographical range and climatic data was determined. Differential adaptations of these lineages to environmental factors were then evaluated and we identified differences in host spectra between lineages. Strong reproductive barriers, as well as a loss of fertility in some lineages, were also shown to limit the gene flow between lineages.

Mots-clés Agrovoc : Pyricularia oryzae, structure de la population, génétique des populations, Ascomycota, polymorphisme génétique, Triticum, identification, technique génétique, PCR, empreinte ADN

Mots-clés complémentaires : Loop isothermal amplification (LAMP)

Classification Agris : H20 - Maladies des plantes

Auteurs et affiliations

• Thierry Maud, CIRAD-BIOS-UMR BGPI (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/596772/)

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