France
December 19, 2018
Downy mildew is a sunflower disease that can lead to an almost total loss of yield in the case of serious attacks. Thanks to long work on valorization of natural genomic resources and to the development of new genotyping technologies, scientists and technicians at the plant-microorganisms interactions laboratory (LIPM) have improved understanding of infection mechanisms which should help to reinforce disease resistance of sunflower in the field.
Sunflower downy mildew, a parasite with strong pathogenicity
Sunflower downy mildew is caused by the pathogenic oomycete Plasmopara halstedii, a fungal-like parasite. Sunflower resistance to downy mildew is conferred by resistance genes called Pl, 22 of which had been identified and used in cultivated varieties to protect them naturally from this devastating disease. However, over the last 40 years, the large-scale use of one or a few Pl genes in sunflower varieties led to the emergence of new, more virulent downy mildew strains (pathotypes or races) overcoming existing resistances. It was therefore important to identify in sunflower as wide a range of resistance genes as possible that are effective against many downy mildew pathotypes. These resistances can be reasonably used in cultivated varieties, either by combination or alternation, to ensure their effectiveness and improve their durability in the field.
Identify and understand virulence factors *
Between downy mildew (pathogen) and the sunflower (host plant), a molecular dialogue is established, often called an "arms race". The pathogen has virulence factors, called "effectors", that the plant "learns" to recognize and against which it develops targeted resistance, through a mechanism of adaptive evolution. When an effector is thus "unmasked", it triggers in the plant a resistance reaction against the pathogen.
The first approach of the work carried out was based on the research for downy mildew virulence factors whose genomic sequences are the most conserved between the different strains, and which are therefore potentially essential to development in sunflower. Thirty of these conserved virulence factors have been characterized: more than half play a role in virulence since they suppress a plant resistance mechanism, the role of the other half is still unclear. The localization of expression of these effectors has been performed in sunflower cells, in which they target different cell compartments.
Their ability to be recognized in sunflower lines has been applied to identify new resistances. Effector recognition in sunflower leaves is visualized by reactions of localized cell death called hypersensitive response (HR) characteristic of the plant's resistance to infection. Five effectors, among the 30 studied, trigger HR in sunflower lines carrying broad-spectrum resistance, some of which had not yet been published.
For one of these conserved effectors of downy mildew, we were able to identify the precise region of the sunflower genome that carries the gene giving resistance to this effector. We thus propose a pair of avirulence (virulence factor unmasked by the plant) / resistance genes never described in sunflower before. The specific response to such effectors makes it possible to differentiate between sunflower resistances, in particular when they are very close on the sunflower genome. This approach simplifies and speeds up the genomic localization of new resistance to downy mildew.
Ten new mapped resistance genes **
The second approach has been the characterization in sunflower of new broad-spectrum sources of resistance to downy mildew, effective against at least 16 pathotypes of downy mildew with various modes of virulence, and therefore against any attack of downy mildew in Europe.
These resistances were found in wild sunflower (Helianthus annuus), or in related Helianthus species, and were crossed with cultivated sunflower. The genes responsible for these resistances were mapped on the sunflower reference genome, using high density Axiom® DNA chips to determine genetic variations between the different sunflowers. Ten new resistance genes have been identified and differentiated according to their position on the genome, their origin, and the hypersensitive response to a downy mildew effector.
This first large-scale physical mapping of downy mildew resistance genes on the sunflower genome made it possible to locate the 10 new genes and also 10 already published Pl genes. This knowledge should help to increase the range of resistance genes used in sunflower varieties and so improve durability of effective downy mildew resistances.
Optimize genetic resistance in sunflower
The use of effectors conserved in all the pathotypes of downy mildew of varied virulence and thus playing probably an important role for the pathogen, makes it possible to discover sunflower resistance genes which should be more durable.
The use of these resistances within the framework of a reasoned agriculture, by combining them or alternating them in place or time should limit the impact of the pathogen. The key is the construction of cropping systems and technical itineraries that are less risky for growers.
This work was carried out by the research teams of the Plant-Microorganisms Interaction Laboratory (LIPM) in Toulouse, including the Sunflower Genetics and Genomics and Bioinformatics groups, the Genome and Transcriptome platform (GET-Plage) at Toulouse, the Genotyping and Sequencing platform Gentyane and the Genetics Diversity and Ecophysiology of Cereals (GDEC) laboratory at Clermont-Ferrand.
REFERENCES
*Sunflower resistance to multiple downy mildew pathotypes revealed by recognition of conserved effectors of the oomycete Plasmopara halstedii. Yann Pecrix, Luis Buendia, Charlotte Penouilh-Suzette, Maude Maréchaux, Ludovic Legrand, Olivier Bouchez, David Rengel, Jérôme Gouzy, Ludovic Cottret, Felicity Vear, Laurence Godiard. Plant J. 2018 Nov 13. doi: 10.1111/tpj.14157
**Ten broad spectrum resistances to downy mildew physically mapped on the sunflower genome. Yann Pecrix, Charlotte Penouilh-Suzette, Stéphane Muños, Felicity Vear and Laurence Godiard. Front. Plant Sci. doi: 10.3389/fpls.2018.01780
Genetic resources of wild and cultivated sunflowers
Biological Resources Centre (BRC) for sunflower - © INRA
As a public research institute, INRA explores and preserves biodiversity and genetic resources of several crops. These resources are available to public and private collaborators according to national policies and international agreements. In order to maintain a wide genetic diversity for research and breeding, the Biological Resources Centre (BRC) for sunflower has been developing its collection since the 1960s and is now operating at INRA Occitanie-Toulouse.
- 2313 cultivated lines
- 403 cultivated populations (open-pollinated varieties, landraces, breeding pools)
- 537 related wild-type ecotypes from the Helianthus genus
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Vers des résistances du tournesol au mildiou plus durables
Le mildiou est une maladie du tournesol qui peut conduire à une perte quasi-totale de rendement en cas d’attaques graves. Grâce à un long travail de valorisation des ressources génomiques naturelles et au développement de nouvelles technologies de génotypage, les équipes du laboratoire interactions-plantes-microorganismes (LIPM) travaillent à mieux comprendre le mécanisme d'infection afin de renforcer l’immunité du tournesol au champ.
Le mildiou du tournesol un parasite à forte pathogénicité
Le mildiou du tournesol est causé par l’oomycète pathogène Plasmopara halstedii, parasite ressemblant à un champignon. La résistance du tournesol au mildiou est conférée par des gènes de résistance appelés Pl, dont 22 ont été identifiés et sont utilisés dans les variétés cultivées pour les protéger naturellement de cette maladie dévastatrice. Cependant, au cours des 50 dernières années, l’utilisation à grande échelle de quelques gènes Pl dans les variétés de tournesol a conduit à l'apparition de nouvelles souches (pathotypes) de mildiou plus virulentes et a rendu les résistances existantes inefficaces. Il est donc important d'identifier chez le tournesol un éventail de gènes de résistance aussi large que possible qui soient efficaces contre plusieurs pathotypes de mildiou, afin de les combiner ou de les alterner dans les variétés cultivées pour garantir leur efficacité et améliorer leur durabilité au champ.
Identifier et comprendre les facteurs de virulence*
Entre le mildiou (agent pathogène) et le tournesol (plante hôte), s’instaure un dialogue moléculaire souvent qualifié de « course aux armements ». L’agent pathogène possède en effet des facteurs de virulence, appelés « effecteurs », que la plante « apprend » à reconnaitre et contre lesquels elle développe des résistances ciblées, par un mécanisme d’évolution adaptative. Lorsqu’un effecteur est ainsi « démasqué », il déclenche chez la plante une réaction de résistance contre le pathogène.
La première approche des travaux menés, est basée sur la recherche des facteurs de virulence du mildiou dont les séquences génomiques sont les plus conservées entre les différentes souches, et qui sont donc potentiellement essentiels à son développement chez le tournesol. Trente de ces facteurs de virulence conservés ont été caractérisés : plus de la moitié d’entre eux jouent véritablement un rôle dans la virulence puisqu’ils suppriment une immunité basale de la plante, le rôle de l’autre moitié n’est pas encore élucidé. La localisation de l’expression de ces 30 effecteurs a été réalisée dans les cellules de tournesol, dans laquelle ils ciblent différents compartiments cellulaires.
Ils ont ensuite été utilisés pour leur capacité à être reconnus chez des lignées de tournesol, en déclenchant des réactions de morts cellulaires localisées appelées réponses hypersensibles (HR) qui sont caractéristiques de la résistance de la plante à l’infection. Cinq effecteurs sur les 30 étudiés déclenchent des HR dans des lignées de tournesol portant des résistances à large spectre, dont certaines non encore publiées.
Pour l'un de ces effecteurs conservés du mildiou, nous avons pu identifier la région précise du génome du tournesol qui porte le gène de résistance du tournesol à cet effecteur et ainsi proposer un couple de gènes avirulence (facteur de virulence démasqué par la plante) / résistance encore jamais décrit chez le tournesol. La réponse spécifique à de tels effecteurs permet de différencier les résistances du tournesol entre elles, en particulier quand elles sont très proches sur le génome du tournesol. Cette approche simplifie et accélère la localisation génomique de nouvelles résistances au mildiou.
Dix nouveaux gènes de résistance cartographiés**
La seconde approche est la caractérisation chez le tournesol de nouvelles sources de résistance au mildiou à large spectre, efficaces contre au moins 16 pathotypes de mildiou ayant des modes de virulence variés, et donc contre toute attaque de mildiou en Europe.
Ces résistances ont été découvertes chez des espèces sauvages de tournesol, ou chez des espèces d’Helianthus apparentées et ont été introduites par croisement dans des lignées de tournesol cultivées (Helianthus annuus). Les gènes responsables de ces résistances ont été cartographiés sur le génome de référence du tournesol, grâce à des puces à ADN Axiom® de haute densité permettant de déterminer les variations génétiques entre les différents tournesols. Ainsi 10 nouveaux gènes de résistance ont été identifiés et différenciés en fonction de leur position sur le génome, de leur espèce d’origine, et de la réponse hypersensible à un effecteur de mildiou.
Cette première cartographie à grande échelle sur le génome du tournesol a permis de localiser dix gènes Pl publiés mais aussi d'identifier dix nouveaux gènes de résistance au mildiou à large spectre et donc potentiellement durables.
Optimiser l’immunité du tournesol
L’utilisation d’effecteurs conservés chez tous les pathotypes de mildiou de virulence variée et donc jouant probablement un rôle important pour l’agent pathogène, permet de découvrir des gènes de résistance du tournesol qui seront plus durables.
L’utilisation de ces résistances dans le cadre d’une agriculture raisonnée, en les combinant ou en les alternant au niveau des parcelles ou des années de culture devrait limiter l'impact du pathogène. A la clef, la construction de systèmes de culture et d’itinéraires techniques moins risqués pour les producteurs.
Ces travaux ont été menés par les équipes de recherche du laboratoire interactions-plantes-microorganismes (LIPM), notamment les équipes de génétique et génomique du tournesol et de bioinformatique, la plateforme génome et transcriptome (GET-Plage), la plateforme de génotypage et séquençage Gentyane et le laboratoire de Génétique Diversité Ecophysiologie des Céréales du centre Auvergne – Rhône-Alpes.
REFERENCE DES PUBLICATIONS
* Sunflower resistance to multiple downy mildew pathotypes revealed by recognition of conserved effectors of the oomycete Plasmopara halstedii. Pecrix Y, Buendia L, Penouilh-Suzette, Maréchaux M, Legrand L, Bouchez O, Rengel D, Gouzy J, Cottret L, Vear F, Godiard L. Plant J. 2018 Nov 13. doi: 10.1111/tpj.14157
**Ten Broad Spectrum Resistances to Downy Mildew Physically Mapped on the Sunflower Genome. Yann PECRIX, Charlotte Penouilh-Suzette, Stéphane Muños, Felicity Vear and Laurence Godiard - Front. Plant Sci. | doi: 10.3389/fpls.2018.01780
Un Centre de Ressources Biologiques pour le Tournesol
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En tant qu'organisme de recherche public, l’Inra participe à l’exploration et à la préservation de la biodiversité et des ressources génétiques dans le cadre de politiques nationales et de conventions internationales. Afin de maintenir un large choix de ressources pour l’avenir et pour les besoins des programmes de recherche, le Centre de Ressources Biologiques (CRB) Tournesol de l’Inra gère une collection depuis les années 1960 de :
- 2313 lignées cultivées
- 403 populations anciennes de type cultivées
- 537 écotypes sauvages apparentés, du genre Helianthus
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