Functional analysis of Stb16q-mediated resistance mechanism against STB in wheat
Analyse fonctionnelle du mécanisme de résistance à la septoriose médié par le gène Stb16q chez le blé tendre.
Résumé
Septoria tritici blotch (STB), caused by the fungus Zymoseptoria tritici, is one of the most devastating wheat diseases in Europe. Among the different STB control strategies, the use of resistant wheat varieties is the main environmentally sustainable and efficient one. However, the development of these varieties is limited by the lack of knowledge on genetics and on the molecular and physiological mechanisms underlying resistance to STB. The objective of this Thesis was to get insight into the resistance mechanism mediated by the Stb16q gene by identifying when, where, and how this cysteine-rich receptor-like kinase stops avirulent isolates of Z. tritici during pathogenesis. Quantitative cytological analysis conducted on leaves of Stb16q near-isogenic lines (NILs) inoculated with GFP-labelled isolates revealed that Stb16q stops the avirulent isolates at two different stages. A first major blocking stage is observed during leaf penetration through stomata, with 92% of unsuccessful penetration attempts. The second blocking stage occurs during apoplast colonization, as the hyphae that managed to penetrate leaf through stomata did not develop past the sub-stomatal cavity. Artificial infiltration of Z. tritici isolates directly into the apoplast of Stb16q NILs confirms these results, with a partial bypass of Stb16q-mediated resistance following infiltration of avirulent isolates. Similar analyses conducted on four other wheat NILs carrying the Stb5, Stb6, Stb7 or Stb9 genes strongly suggest that hindering Z. tritici during stomata penetration is a common major mechanism in Stb-mediated resistances. To identify the molecular and physiological mechanism(s) leading to the arrest of avirulent Z. tritici isolates by Stb16q, stomatal aperture measurements and metabolomic analyses were performed during infection kinetic. These experiments showed that Stb16q induced a partial and specific stomatal closure following infection by an avirulent isolate as well as the upregulation of sinapoylagmatine and of height other metabolites possibly involved in phenylpropanoids and derivatives biosynthesis pathways. Together, these results allow us to propose a functional model of the Stb16q-mediated resistance mechanism, which, in the long term, could serve as a basis for the improvement of varietal resistance and for the development of new strategies to control STB.
La septoriose, causée par le champignon Zymoseptoria tritici, est l’une des maladies du blé les plus dévastatrices en Europe. Parmi les différentes stratégies de lutte contre cette maladie, l’utilisation de variétés de blé résistantes est l’une des plus efficaces, écologiques et durables. Cependant, le développement de ces variétés est limité par le manque de connaissances sur la génétique et surtout sur les mécanismes moléculaires et physiologiques sous-tendant les résistances à la septoriose. L’objectif de cette Thèse est de mieux comprendre le mécanisme de résistance associé au gène majeur de résistance Stb16q en identifiant où, quand et comment ce récepteur kinase riche en cystéine (CRK) arrête les isolats avirulents de Z. tritici au cours de la pathogénèse. Une analyse cytologique quantitative conduite à partir de feuilles de lignées de blé quasi-isogéniques (NILs) pour le gène Stb16q inoculées avec des isolats marqués à la GFP a révélé que Stb16q arrêtait les isolats avirulents à deux stades différents. Un premier blocage majeur est observé lors de la pénétration dans les feuilles par les stomates, avec 92 % de tentatives de pénétration infructueuses, tandis que le deuxième arrêt se produit lors de la colonisation de l’apoplasme, puisque les hyphes ayant pénétré par les stomates ne se développent pas au-delà de la cavité sous-stomatique. L’infiltration artificielle d’isolats de Z. tritici directement dans l’apoplasme des NILs Stb16q confirme ces résultats, avec un contournement partiel de la résistance médiée par Stb16q lors de l’infiltration d’isolats avirulents. Des analyses similaires menées sur quatre autres NILs portant les gènes Stb5, Stb6, Stb7 ou Stb9 suggèrent fortement que le blocage de Z. tritici lors de sa pénétration par les stomates est un mécanisme majeur commun dans les résistances médiées par les gènes Stb. Afin d’identifier le(s) mécanisme(s) moléculaire(s) et physiologique(s) conduisant à l’arrêt des isolats avirulents de Z. tritici par Stb16q, une mesure de l’ouverture stomatique et des analyses métabolomiques ont été réalisées au cours de la cinétique d’infection. Ces expériences ont montré que Stb16q induisait une fermeture stomatique partielle et spécifique suite à l’infection par un isolat avirulent ainsi qu’une suraccumulation du sinapoylagmatine et de huit autres métabolites possiblement impliqués dans les voies de biosynthèses des phénylpropanoïdes et dérivés. Cet ensemble de résultats nous permet de proposer un modèle fonctionnel du mécanisme de résistance médié par Stb16q, qui, à long terme, pourrait servir de base à l’amélioration de la résistance variétale et à l’élaboration de nouvelles stratégies pour le contrôle de la septoriose.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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