Biologie et gestion des champignons phytopathogènes

La résistance « multi-drogues » (MDR) affecte de nombreux traitements dans les secteurs clinique (anticancéreux, antibiotiques, antifongiques) mais aussi agricole. Chez les champignons phytopathogènes, elle réduit l'efficacité des traitements fongicides, nécessitant l'utilisation de doses plus élevées, ce qui va à l'encontre de la politique actuelle de réduction de l'utilisation des intrants. Chez le champignon responsable de la septoriose du blé, Zymoseptoria tritici, la MDR est causée par la surexpression du transporteur membranaire MFS1, qui réduit la concentration intracellulaire en fongicides. Dans notre laboratoire, des études de populations naturelles ont suggéré l'existence d'autres mécanismes moléculaires impliqués dans ce phénomène, qui pourraient conduire à des niveaux accrus de résistance. L'objectif de ce projet est de mieux comprendre ces mécanismes de résistance généraliste non encore caractérisés. Nous proposons d'utiliser des isolats évolués expérimentalement (EE) sous traitement fongicide, que nous avons déjà obtenus dans le cadre d'un autre projet. Les souches EE ont déjà été caractérisées en termes de profil de résistance et d'efflux, et le génome de certaines d'entre elles présentant des profils intéressants de MDR et d'efflux a été séquencé et analysé. L'objectif de ce projet est d’étudier cinq gènes candidats identifiés par l’analyse des génomes des souches EE en utilisant des approches génétiques et biochimiques afin de valider leur implication dans la MDR mais aussi en étudiant leur fonction biologique. La caractérisation de tous les acteurs impliqués dans la résistance généraliste chez les champignons phytopathogènes permettra de les prendre en compte dans la gestion durable de la résistance. Le projet CONIDIA ne représente probablement que le point de départ de nouvelles connaissances.

BullNet, consisting of 8 beneficiaries and 13 associated partner organisations, will build a multi-disciplinary and inter-sectorial research programme designed to unravel the complex underlying biology of compromised fertility of individual bulls. Cutting-edge basic, applied and machine-learning approaches will be used to deliver a robust, flexible semen product from young, appropriately reared and managed, first-season elite sires that can be used successfully for artificial insemination (AI) with predictable and consistent fertility, so as to provide the industry with key tools to meet current emissions and animal welfare demands. BullNet will also lead to the advancement of knowledge in how bull management strategies and semen processing affect the functional and molecular characteristics of sperm, thus opening scientific horizons for new applications in the area of assisted reproduction. The overall aim of this programme is to train a new generation of creative, entrepreneurial and innovative doctoral candidates (DCs) in the area of bull fertility. BullNet will expose DCs to different sectors and they will acquire a comprehensive set of transferable skills working in the specific research area relating to their individual research projects, with an emphasis on the need for technology transfer from academic institutions to commercial users. Moreover, given the wide range of academic and industry organisations involved, the DCs will be able to face current and future challenges in order to convert knowledge and ideas into products and services for economic, technological and societal benefit.

IPMorama will improve the state of the art in variety-centric Integrated Pest Management (IPM) for important diseases in the wheat (rust pathogens), potatoes (blight) and the grain legumes soybean, pea (broomrape) and white lupin (anthracnose). IPMorama seeks to develop the infrastructure for a whole “practice ecosystem”, whereby the more efficient development of IPM-centric varieties is enabled, while at the same time developing tools and resources to efficiently exploit these in variety-centric IPM. The core innovation of IPMorama is to integrate knowledge of host resistance with the pathogen virulence landscape over space and time, to produce IPM tools (eg crowd source apps, vulnerability maps) and strategies, which will be validated at various scales and in conjunction with different agroecological practices. IPMorama will achieve these goals by enacting the following five components: 1] Understanding the genetic composition of varietal resistance in target crop/pest systems, and development of tools and resources to allow breeders to target the assembly of resistance components. 2] Understanding and mapping the landscape level distribution of the target pathogens/pests, especially in terms of their virulence against the available set of resistance and tolerance genes in varieties and breeding lines. 3] Developing specific integrated pest management practices for the optimal exploitation of pest and pathogen resistance in varieties on the basis of the first two components. 4] Developing the knowledge infrastructure for competent use of variety-centric IPM by actors across the variety-related value chain. 5] Understanding opportunities and barriers for scale-up of variety-centric IPM solutions.

Le projet FRiPPon vise à explorer une nouvelle classe de peptides fongiques appelés dikaritines, et à comprendre leur rôle en tant qu'effecteurs chimiques chez les champignons qui interagissent avec les plantes. Les champignons produisent une large gamme de métabolites secondaires (SM) qui agissent comme des effecteurs chimiques pour coloniser leur niche écologique. En particulier, les espèces phytopathogènes et endophytes produisent des SM pour manipuler la physiologie de leur hôte ou son microbiote. Les dikaritines sont désormais considérées comme la principale classe de peptides synthétisés par la voie ribosomale puis modifiés de manière post-traductionnelle (RiPPs) chez les Ascomycètes. Les cinq dikaritines identifiées à ce jour comprennent des phytotoxines (e.g. Ustiloxines) et un effecteur manipulant l'immunité des plantes (Victorin). Leur synthèse est initiée à partir d'une protéine précurseur (Kexin-Processed Protein) et d'au moins une enzyme avec un domaine DUF3328 (Domain of Unknown Function) permettant leur cyclisation. L’exploration des génomes fongiques a révélé un répertoire inexploré de centaines de clusters de gènes (BGCs) permettant la synthèse de dikaritines, et ceci non seulement chez des espèces phytopathogènes mais également chez des espèces endophytes. Par ailleurs, certains de ces BGCs ne sont exprimés qu’en présence de la plante hôte, ce qui suggère un rôle dans cette interaction biotique. Les objectifs spécifiques du projet FRiPPon sont (i) de découvrir de nouvelles dikaritines bioactives à partir de champignons interagissant avec les plantes, (ii) d’explorer leur diversité chimique, (iii) de caractériser leurs activités sur les plantes et micro-organismes, et (iv) d’évaluer leur potentiel agronomique. Le programme se concentre sur quatre espèces fongiques qui présentent des stades endophyte, biotrophe et/ou nécrotrophe bien caractérisés sur leur plante hôte et pour lesquelles des données transcriptomiques de haute qualité sont disponibles (Botrytis cinerea, Colletotrichum higginsianum, C. tofieldiae et Leptosphaeria maculans). Le projet s’intéresse également à trois souches de Penicillium développées par le partenaire industriel (CMI Roullier) pour leur action bénéfique sur la croissance des plantes. Le principal défi du projet est d'isoler des dikaritines qui ne sont quasiment pas produites en l'absence de la plante. Pour relever ce défi, les BGCs d'intérêt seront sélectionnés puis exprimés dans un hôte hétérologue, la levure. Des techniques chimiques de pointe seront ensuite utilisées pour extraire, purifier et déterminer la structure d’au moins cinq nouvelles dikaritines. Celle-ci seront testées sur des plantes et des micro-organismes pour déterminer leurs activités. En parallèle, des études de génétique fongique seront menées afin d'évaluer le rôle de ces effecteurs chimiques dans les interactions plante-champignon. FRiPPon est un PRCE qui réunit deux instituts de recherche avec des expertises complémentaires en phytopathology (BIOGER-INRAE) et en écologie chimique (MNHN) ainsi que la société CMI - Roullier qui développe des produits naturels l’industrie agronomique. Sur le plan académique, ce projet interdisciplinaire devrait permettre de décrypter la manière dont les champignons manipulent les plantes hôtes ou leur microbiote, et de révéler de nouvelles structures de dikaritines. Enfin, l'exploration de cette source inexploitée de SMs fongiques ouvrira la voie à de nouvelles possibilités de développement de solutions durables et naturelles pour l'agronomie.

Le projet ANR-JCJC ShySM a pour but de comprendre le rôle joué par les métabolites spécialisés que produisent les champignons phytopathogènes hémibiotrophes spécifiquement au cours l’infection. Le projet se focalisera sur les molécules produites au cours de la phase biotrophe, là où leur rôle est susceptible d’être important pour la manipulation des défenses de la plante hôte et l’installation de la maladie en amont de la phase nécrotrophe. Des données préliminaires de transcriptomique indiquent que ces métabolites spécialisés ne sont pas produits par ces champignons pathogènes en condition de laboratoire et peuvent donc être qualifiés de cryptiques ou ‘timides’. Elles indiquent également que ces molécules sont produites en vagues successives correspondant aux étapes du cycle infectieux : pénétration de l’hôte, phase biotrophe. Ces caractéristiques font qu’il est particulièrement difficile de les purifier en quantités suffisantes à partir de tissus infectés pour (i) déterminer leur structure chimique, (ii) identifier leurs activités biologiques et caractériser leur mode d’action. Avec ce projet pluridisciplinaire, nous proposons de combiner de façon innovante des approches de biologie synthétique, de métabolomique et de protéomique pour produire les métabolites spécialisés d’intérêt en quantités suffisantes à la fois pour leur élucidation structurale et pour étudier leur mode d’action. La définition du mode d’action de ces molécules passera par l’identification des cibles protéiques chez la plante à l’aide de méthodes non ciblées. Les interactions protéine-métabolite spécialisé seront ensuite validées à l’aide de tests ciblés in planta incluant des lignées rapportrices puis des tests biochimiques. Le projet JCJC ShySM établira le rôle que les métabolites spécialisés fongiques jouent dans l’établissement des phases précoces de la maladie et fournira les connaissances fondamentales nécessaires à la conception de nouveaux moyens de lutte contre ces agents pathogènes.

La protection écologique des cultures nécessite une utilisation raisonnée des résistances génétiques des plantes. Cependant, il n’y a pas de consensus sur la stratégie optimale d’utilisation de ces résistances. L'amélioration de la durabilité des résistances variétales nécessite l'intégration des connaissances sur les événements moléculaires conduisant à la virulence dans des modèles épidémio-évolutifs pertinents. Le projet ENDURANCE se propose d’aborder cette question grâce aux concepts et aux outils de la génétique des populations. Cette discipline permet en effet, d’intégrer le(s) déterminisme(s) génétique(s) de la virulence à l’échelle de la population d’agents pathogènes. ENDURANCE implique cinq partenaires et rassemble 30 personnes (chercheurs, maîtres de conférence, ingénieurs et techniciens) qui sont à la pointe des études sur la durabilité de la résistance, étant experts en modélisation en épidémiologie évolutive, ou dans l'étude moléculaire des interactions hôte-pathogène. Notre consortium comprend des mathématiciens, des modélisateurs, des phytopathologistes, des génomiciens fonctionnels et des généticiens des populations. ENDURANCE sera coordonné par Fabien Halkett, qui possède une grande expertise en génétique des populations des agents pathogènes des plantes. En prélude au projet ENDURANCE, nous avons synthétisé les connaissances actuelles sur la durabilité de la résistance des plantes et publié une note d’opinion. Les études moléculaires mettent en évidence une grande variabilité des mécanismes, mais on sait peu de choses sur leur évolution. Inversement, la plupart des modèles traitent jusqu'à présent d’agents pathogènes génériques (asexués et haploïdes) alors que certains d’entre eux présentent des cycles de vie complexes. Dans ENDURANCE nous allons justement étudier trois espèces ayant des ploïdies et des cycles de vie différents. Notre principale hypothèse de travail est que ces différences se traduiront par une variabilité de dynamiques d'émergence et de propagation de la virulence. Nous élargirons la portée de nos conclusions grâce aux données disponibles sur la dynamique de contournement de résistances pour d'autres espèces pathogènes. Nos objectifs sont : i) d'étendre nos connaissances sur les déterminismes génétiques de la virulence par des études de génomique d'association, des analyses génomiques et de la validation fonctionnelle. ii) d’évaluer les changements temporels dans les fréquences des allèles de virulence ainsi que dans la structure génétique des populations pathogènes grâce à des séries chronologiques d'échantillons. iii) de développer de nouveaux modèles épidémio-évolutifs qui prennent en compte la diversité des déterminismes génétiques de la virulence, ainsi que les particularités des cycles de vie de nos organismes. Ces objectifs définissent les trois tâches du projet ENDURANCE, tâches qui seront menées en étroites collaborations. Outre la collaboration scientifique, ENDURANCE vise également à partager les connaissances techniques et à assurer le transfert de méthodologies entre les partenaires afin d’accélérer nos gains de connaissance. Nous mettrons l’accent sur la mise en évidence des interactions complexes entre les loci et la mesure du coût de la virulence. Nous bénéficierons de grandes collections historiques pour étudier les dynamiques transitoires. Nous développerons à la fois des modèles mathématiques (basés sur le formalisme semi-discret qui correspond aux cycles de vie des agents pathogènes) et des modèles par simulations pour prendre en compte toutes les spécificités des trois espèces d’intérêt. Les prédictions théoriques seront confrontées à des données empiriques et, le cas échéant, les paramètres des modèles seront inférés à l’aide d'analyses de génétique des populations. Notre résultat ultime sera de déterminer la meilleure stratégie pour le déploiement de cultivars génétiquement résistants en intégrant, du gène à la population, toutes les connaissances biologiques.

Les organismes s'ajustent continuellement à leur environnement. Cette plasticité est le résultat d'un processus d'adaptation, mais la manière dont les architectures génétiques évoluent pour permettre une telle réponse reste mal comprise. Dans ce projet, nous nous intéresserons à l'évolution de la plasticité de l'expression des gènes et à l'évolution de la structure des réseaux de régulation sous-jacents. Nous proposons une double approche: dans un premier temps, nous mettrons en place un modèle théorique couplant un modèle dynamique de réseau de gènes au niveau de chaque individu, et un modèle de génétique des populations permettant de simuler l'évolution des réseaux sous l'influence des mutations, de la sélection, et de la dérive génétique. De ce modèle, nous tirerons des prédictions théoriques sur la manière dont les réseaux de gènes pourraient évoluer, en fonction de la variabilité de leur environnement par exemple. Dans un deuxième temps, nous validerons ces prédictions théoriques en les comparant à des résultats d'évolution expérimentale. Nous disposons de 18 lignées d'un champignon, Zymoseptoria tritici, ayant évolué in vitro pendant un an (>500 générations) en conditions de températures stables ou fluctuantes. Nous nous proposons de mesurer les transcriptomes de ces lignées à différents points de temps durant leur adaptation, et de comparer l'évolution de l'expression des gènes et de la structure des réseaux de co-expression aux résultats des simulations. Notre objectif est donc de mettre en place un cadre théorique capable de prédire certaines caractéristiques de l'évolution des architectures génétiques complexes en fonction de la stabilité de l'environnement, et de vérifier ces prédictions empiriquement.

Les récepteurs à activité kinase représentent la plus grande famille de gènes impliquée dans la résistance des plantes aux bio-agresseurs. Nous avons récemment cloné Stb16q, le premier récepteur à activité kinase riche en cystéines qui confère, chez les monocotylédones, une résistance à un champignon soulignant l’importance d’étudier cette famille dans l’immunité des plantes. L’objectif du projet WITT est de décortiquer le mécanisme de résistance associé à Stb16q chez le blé contre Z. tritici. Nous proposons d’identifier, 1/les ligands des domaines extracellulaires de STB16 qui déclenchent le mécanisme de résistance soit par des approches biochimiques soit par l’étude du gène d’avirulence correspondant, 2/les événements moléculaires impliqués dans la résistance chez le blé, 3/l’origine du contournement récent de Stb16q. Grace à un partenariat expérimenté et multidisciplinaire, ce projet va permettre d’acquérir une vision d’ensemble sur le mécanisme des CRK dans l’immunité des plantes.

Le déploiement des résistances génétiques des plantes aux pathogènes est indispensable pour limiter l’utilisation de pesticides en agriculture. Le déploiement de telles variétés seules sur des surfaces importantes conduit à l’adaptation des populations des pathogènes, les rendant ineffectives. Mobiliser la diversité intraspécifique en combinant différentes variétés permettrait de contraindre cette adaptation via l’existence d’interactions hôte-pathogènes antagonistes. En se basant sur ce concept, le projet COMBINE vise à définir de nouvelles stratégies de déploiement de combinaisons de résistances permettant de trouver le meilleur compromis entre efficacité, durabilité et rentabilité. Nous proposons une approche globale multidisciplinaire agrégeant des études en biologie (épidémiologie et biologie évolutive), modélisation et socio-économie. Plusieurs pathosystèmes ayant des biologies variées, causant des maladies sur des différentes plantes (blé, vigne, banane, piment, riz), seront étudiés via trois tâches complémentaires. Dans la première tâche, nous étudierons l’impact sur la dynamique et l’évolution des populations pathogènes de la combinaison de résistances dans des mélanges variétaux, à partir de dispositifs expérimentaux ou de situations réelles existantes, afin de comprendre si les interactions antagonistes sont bien en jeu et leur impact sur l'évolution des populations. Dans une deuxième tâche, nous analyserons les contraintes et leviers socio-économiques jouant sur les stratégies de diversification des agriculteurs. Dans la deuxième tâche, un outil générique de modélisation se basant les l’existence d’interactions antagonistes sera amélioré et paramétré pour une diversité d’agents pathogènes, afin de simuler différentes stratégies et d'en tirer les stratégies optimales de déploiement des résistances variétales à différentes échelles spatiales qui résolvent le compromis durabilité / efficacité / acceptabilité et rentabilité. Le consortium, actif depuis un an, regroupe des équipes à la pointe des disciplines concernées. COMBINE apportera des informations et des outils génériques pour une utilisation durable des résistances génétiques dans une agriculture sans pesticides.

Wheat is an essential source of human calories and also provides substantial amounts of proteins, vitamins, fibre and phytochemicals. Much of the wheat grown globally is derived from a narrow genetic base, relative to the genetic resources available within germplasm repositories. Considering climate and legislative challenges, loss of biodiversity, geo-political conflicts, shifting diets and population trends, we need to rethink European wheat production practices and harness wheat’s underutilised genetic diversity to deliver sustainable food supplies into the future. The EU Green Deal challenges farmers to significantly reduce chemical crop inputs by 2030, but will also unlock the opportunity to better maintain and exploit ecosystem biodiversity to support sustainable crop production. By enhancing our understanding of the functional significance of wheat genetic diversity at the ecosystem level, including an in-depth assessment of the complex interplay between wheat and its host ecosystems, we can build new ideotypes that will enhance the resilience of the primary crop production system within the EU. The actions of WheatSecurity will underpin yield stability, mitigating the risk of yield loss from biotic/abiotic stress, exacerbated in many cases due to climate change. To achieve this, WheatSecurity will harness genetic resources and agrobiodiversity in order to increase the resilience and sustainability of wheat production in traditional and non-traditional wheat growing microclimatic zones within the EU. Building on the wealth of information available regarding the genetic diversity and performance of bread and durum wheat plus related germplasm, we will capitalise on ongoing national and international initiative to select a germplasm panel representing a broad genetic pool covering agroclimatic adaptation and including tetraploid, hexaploid, diverse and elite genotypes. We will cultivate this diverse germplasm panel in sites across Europe, including traditional and non-traditional wheat growing areas. Within these ring trials, we will assess agronomic performance, quality, abiotic and biotic stress tolerance, as well as interaction with microbial ecosystem components, and conversely the response of wheat’s primary pathogens and their ability to adapt. Network and association studies will be used to decipher the linkages between microbiome diversity and plant performance, testing the hypothesis that it may be possible to support a healthy microbiome adapted to a specific ecological niche based on the genetics of the propagated host varieties. The resilience of diverse wheat germplasm to multiple stress responses, alone and in combination, will be assessed using a combination of high throughput phenotyping under controlled conditions, genome-wide association studies, meta-transcriptomics, and DNA-based microbiome studies of roots, leaves and flowering wheat heads. These studies will enhance our understanding of the resilience of genotypes and haplotypes, and guide the development of ideotypes adapted to specific environmental niches. Varieties selected based on their performance in the glasshouse and field will then be evaluated for field performance at farm level across Europe. This project will increase the reference database of phenotypes and function genotypes for accessions under stressed environments, delineating progenitors that can be used to maximise biodiversity and multi-environment, multi-stress resilience. Thus, this project will improve our understanding of ecosystem functions, enhance our ability to increase the functional genetic diversity base of wheat, thereby enhancing the sustainability of Europe’s food production systems.

Les champignons phytopathogènes représentent une menace récurrente pour l'agriculture et possèdent des capacités adaptatives extrêmes. Une stratégie majeure de lutte contre les maladies fongiques, respectueuse de l'environnement, est la lutte génétique à l'aide de cultivars naturellement résistants. La résistance variétale repose principalement sur la reconnaissance d'effecteurs fongiques, éléments clés de la pathogénèse ciblant des protéines végétales mais pouvant également être reconnus par des protéines de résistance (R), et alors appelés protéines d'avirulence (AVR). Le déploiement massif d'une source unique de résistance dans les champs exerce une forte pression de sélection contre les agents pathogènes avirulents et la source de résistance peut être rapidement contournée. Il est donc urgent d'améliorer la gestion des gènes R pour en accroître l'efficacité et la durabilité. Le principal moyen de lutte contre Leptosphaeria maculans, champignon responsable de la nécrose du collet du colza, est la lutte génétique. Cependant, les sources de résistance spécifique sont rares chez le colza et les études visent soit à identifier de nouvelles sources de résistance, soit à optimiser la durabilité des résistances disponibles en alternant ou pyramidant ces résistances. Les Partenaires 1 et 2 du projet ont récemment déterminé la structure 3D de quatre AVR de L. maculans (appelés AvrLm). Étonnamment, trois d'entre eux font partie d'une famille structurale comprenant 13 effecteurs de L. maculans mais aussi des protéines d'autres champignons phytopathogènes. Ces données soulèvent des questions cruciales, dont la clarification pourrait améliorer la gestion des résistances : (i) Les effecteurs appartiennent-ils à un ensemble limité de familles structurales ? (ii) Les membres d'une même famille d'effecteurs ciblent-ils des protéines végétales et des processus cellulaires identiques ou similaires ? (iii) Les membres d'une même famille d'effecteurs peuvent-ils être reconnus par les mêmes protéines R ? Le projet STARlep vise à explorer la diversité structurale et fonctionnelle des protéines AVR de L. maculans afin de proposer une gestion éclairée des résistances. Il est organisé en quatre tâches : caractérisation structurale des effecteurs AvrLm et classification en familles structurales par la recherche d'analogues structuraux parmi les effecteurs de L. maculans (WP1), analyse approfondie des interactions entre les protéines AVR et leurs protéines R (WP2), détermination des protéines végétales et des processus cellulaires ciblés, et compréhension physique des interactions effecteur-cible (WP3), identification de résistances reconnaissant des effecteurs appartenant à des familles structurales distinctes et/ou ciblant des processus cellulaires contrastés (WP4). L'originalité et la force du projet STARlep résident dans son interdisciplinarité : il implique trois équipes ayant une expertise internationalement reconnue dans les domaines complémentaires de la génomique fongique / analyse fonctionnelle des effecteurs fongiques (Partenaire 1) et de la biologie structurale (Partenaires 2 et 3), et une entreprise privée criblant du matériel végétal chez les Brassica pour identifier de nouvelles sources de résistance (partenaire 4). Le projet STARlep générera des connaissances sur les familles d'effecteurs structuralement conservés, et sur l'interaction avec les gènes R et les cibles végétales correspondants. L'un des principaux objectifs de STARlep est d'identifier de nouvelles sources de résistance permettant de reconnaître de nouvelles familles structurales d'effecteurs. Les connaissances acquises sur les familles structurales d'effecteurs nous aideront également à proposer des stratégies visant à alterner ou à pyramider les gènes R reconnaissant différentes classes d'effecteurs. Enfin, nous identifierons des protéines végétales ciblées par les effecteurs qui pourraient constituer de nouvelles cibles pour lutter contre les maladies des plantes.