Microbial diversity and pathogen-microbiome interactions in crop residues : the case of Zymoseptoria tritici and Leptosphaeria maculans in a wheat-oilseed rape system - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2019

Microbial diversity and pathogen-microbiome interactions in crop residues : the case of Zymoseptoria tritici and Leptosphaeria maculans in a wheat-oilseed rape system

Diversité microbienne et interactions pathogène-microbiome dans les résidus de culture : le cas de Zymoseptoria tritici et Leptosphaeria maculans en système blé-colza

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Abstract

Crop residues, a transient half-plant/half-soil compartment, are a key fully-fledged ecological niche with major biological impact on agrosystems when maintained at the surface of the cultivated soil. They also contribute to the development of plant disease epidemics as main and recurrent source of primary inoculum. To deepen our understanding of this crop residue compartment and its importance regarding the management of residue-borne diseases, we investigated the interactions between the residue microbiome and two important residue-borne fungal pathogens in wheat-oilseed rape rotations systems, Zymoseptoria tritici and Leptosphaeria maculans. Firstly, we characterized the temporal dynamics of fungal and bacterial communities associated with a large set of residues sampled in three wheat-oilseed rape rotation plots over a two-year period. The communities were characterized by metabarcoding and complementary isolations. Beyond the constitution of fungal and bacterial reference collections, this allowed the comparison between the effectiveness of cultivation-independent and dependent methods. The impact of plant species, seasonality (cropping season and degradation), and rotation on the microbiome of crop residues was demonstrated for both fungal and bacterial communities. The impact of plant species on the residue microbiome decreased over time, with the replacement of plant-specific genera by more generalist taxa originating from the soil. The cultivation-dependent method used for bacteria enabled to isolate most of the abundant taxa identified by metabarcoding (unlike fungi, due to technical biases) demonstrating the complementarity of both methods. Secondly, the effect of the presence of Z. tritici and L. maculans on the wheat and oilseed rape residue microbiome, respectively, was assessed by combining linear discriminant analyses (LDA) and ecological network analyses (ENA). For wheat, we compared the bacterial and fungal communities associated with residues, with and without preliminary Z. tritici inoculation, in or without contact with the soil, on four sampling dates during two consecutive years. The number of microorganisms promoted or inhibited by Z. tritici infection decreased over time, and was smaller for residues in contact with the soil. Although many microorganisms were impacted by the infection with the pathogen, few interacted directly with Z. tritici, despite it was considered as a keystone taxa in ENA. In parallel, the effect of L. maculans on oilseed rape residue microbiome was assessed over one year using two isogenic oilseed rape lines ‘Darmor’ and ‘Darmor-Rlm11’ carrying a resistance gene against L. maculans. As for wheat, microbial communities changed as residues degraded. Despite close communities, LDA highlighted numerous microorganisms impacted by the Rlm11 gene. However, L. maculans was not considered as keystone taxa in ENA. Finally, our results provide essential information on microbial community alterations in wheat and oilseed rape residues induced by fungal pathogens. In particular, species already described as pathogens (e.g. Blumeria graminis, Fusarium, Cladosporium, and Alternaria) or as biocontrol agents (e.g. Trichoderma, Epicoccum, Cryptococcus, Chaetomium) were affected by the presence of both pathogens. Metabarcoding, previously developed for plant and soil compartments, should now benefit from new applied developments to crop residues in order to identify beneficial microorganisms naturally present. The complexity and transience of interactions shows that the use of biological control agents against these diseases seems difficult to implement on residues. Further studies would be needed to use these interactions in a more applied perspective.
Les résidus de culture, compartiment à l’interface plante-sol et niche écologique à part entière, ont un impact biologique majeur sur les agrosystèmes lorsqu'ils sont maintenus en surface. Ils contribuent aussi, en tant que source récurrente d'inoculum, au développement d’épidémies végétales. Pour approfondir notre compréhension de ce compartiment et de son importance pour la gestion de maladies fongiques, nous avons étudié les interactions entre le microbiome des résidus et deux agent pathogènes importants dans les systèmes blé-colza, Zymoseptoria tritici et Leptosphaeria maculans. Dans un premier temps nous avons caractérisé la dynamique temporelle des communautés fongiques et bactériennes associées à des résidus échantillonnés dans trois parcelles en rotation blé-colza pendant une période de deux ans. Les communautés ont été caractérisées par metabarcoding et des isolements complémentaires sur milieu. En plus de constituer deux collections de référence fongiques et bactériennes, cela nous a permis de comparer l'efficacité de méthodes culture-indépendante et culture-dépendante. L'impact de la plante, de la saisonnalité et de la rotation sur le microbiome des résidus de culture a été significatif pour les communautés fongiques et bactériennes. L'impact de la plante sur le microbiome des résidus a diminué au cours du temps, concomitamment au remplacement des taxons originaires de la plante par des taxons originaires du sol, considérés comme plus généralistes. La plupart des genres bactériens identifiés par metabarcoding ont également pu être isolés, contrairement aux champignons (à cause de biais techniques), démontrant ainsi la complémentarité des deux approches. Dans un second temps, les effets de la présence de Z. tritici et de L. maculans sur le microbiome des résidus de colza et de blé ont été évalués en combinant des analyses discriminantes linéaires (LDA) et des analyses de réseaux d’interaction (ENA). Nous avons comparé les communautés bactériennes et fongiques associées aux résidus de blé, avec et sans inoculation préliminaire de Z. tritici, en contact ou non avec le sol, à quatre dates d'échantillonnage pendant deux années. Le nombre de micro-organismes favorisés ou désavantagés par l'infection de Z. tritici a diminué au cours du temps et a été plus faible pour les résidus en contact avec le sol. Plusieurs micro-organismes ont été influencés par l'infection, mais peu d’entre eux ont été en interaction directe avec Z. tritici, pourtant un taxon clé. Parallèlement, l'effet de L. maculans sur le microbiome des résidus de colza a été évalué sur une période d'un an en utilisant deux lignées isogéniques 'Darmor' et 'Darmor-Rlm11' porteur d’un gène de résistance contre L. maculans. Les communautés ont évolué à mesure que les résidus se sont dégradés, comme pour le blé. Les LDA ont montré que plusieurs micro-organismes ont été impactés par la présence du gène Rlm11, sans que L. maculans ne soit considéré comme un taxon clé dans les ENA. Cette étude a finalement fourni des informations essentielles sur l’influence des champignons pathogènes sur les communautés microbiennes des résidus de blé et de colza. Leur présence a eu un impact sur des espèces déjà décrites comme pathogènes (ex. Blumeria graminis, Fusarium, Cladosporium et Alternaria) ou comme agents de biocontrôle (ex. Trichoderma, Epicoccum, Cryptococcus, Chaetomium). Le metabarcoding, déjà utilisé pour les décrire les communautés des compartiments plante et sol, gagnerait à être désormais appliqué aux résidus de cultures pour identifier les micro-organismes potentiellement bénéfiques qu’ils hébergent. La complexité et le caractère transitoire des interactions expliquent que l'utilisation d'agents de biocontrôle soit difficile à mettre en œuvre en ayant pour cible les résidus en tant que source d’inoculum. D'autres études seront nécessaires pour mieux exploiter ces interactions dans une perspective appliquée.
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Cite

Lydie Kerdraon. Microbial diversity and pathogen-microbiome interactions in crop residues : the case of Zymoseptoria tritici and Leptosphaeria maculans in a wheat-oilseed rape system. Agricultural sciences. Université Paris Saclay (COmUE), 2019. English. ⟨NNT : 2019SACLA011⟩. ⟨tel-03537777⟩
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