France
February 13, 2018

Septoria tritici blotch (STB) is caused by the fungus Zymoseptoria tritici. Disease control efforts are focused on developing resistant wheat varieties.In a recent study, INRA researchers cloned and characterized a wheat gene that confers resistance against STB6 the first time this has been done. Their work, published on February 12 in Nature Genetics, should inspire novel approaches for more sustainably combating the disease.

The fungus Zymoseptoria tritici causes Septoria tritici blotch (STB), a devastating foliar disease in wheat that causes dramatic losses in yield.
While the fight against STB often employs synthetic fungicides, significant energy is also being directed towards more sustainable approaches, namely the development of resistant wheat varieties*. The problem is that pathogen populations can adapt rather rapidly and thus evade resistance mechanisms, limiting the efficacy of such varieties.
Consequently, to make more strategic use of wheat resistance, it is necessary to identify and functionally characterize the genes involved.
Twenty-one major genes involved in resistance against Z. tritici—the Stb genes—have been found in wheat, although none of them had been cloned or characterized until now. The scientific community has been particularly interested in Stb6, a gene commonly found in both ancestral and modern wheat varieties. Although its resistance mechanism can be evaded, the gene's presence in wheat crops can still confer protection against some members of the fungal population.

Stb6—a major resistance gene against Zymoseptoria tritici in wheat identified...

INRA researchers, working with colleagues at the Rothamsted Research Institute (UK), recently isolated and cloned Stb6, the first time this has been accomplished. They managed the feat by drawing on recent discoveries in wheat genetics and genomics and by employing highly effective, novel methods. Found on the short arm of wheat's 3A chromosome,Stb6 encodes a 647-amino-acid-long protein, a cell wall-associated kinase (WAK). Like other WAKs involved in pathogen resistance, the Stb6-encoded WAK has an extracellular domain that controls changes to the cell wall and an intracellular domain that initiates a cascade of defense mechanisms.

...and characterized

The researchers then functionally characterized the gene. When Stb6 is expressed in an otherwise vulnerable wheat variety, the latter becomes resistant to STD.
Unsurprisingly, Stb6 is highly conserved in common wheat (Triticum aestivum). Just eight alternative forms of this gene (i.e., alleles) have been described from among 98 wheat accessions (farmed varieties or wild relatives of wheat that are preserved in collections). Of these eight alleles, one plays a significant role in resistance. It is present in half of the wheat varieties farmed in France and the UK. There are also several alleles involved in plant vulnerability. The resistance allele differs from one of the vulnerability-related alleles by just a single nucleotide, located in the WAK's active site. Nucleotide substitution results in a loss of activity, which seems to be the mechanistic basis for increased plant vulnerability.
The resistance-conferring allele is present in emmer wheat (Triticum turgidum dicoccon), an ancient cultivar and the ancestor of modern common wheat varieties. This fact suggests that Stb6 was already around when wheat was domesticated, which would explain its broad distribution among wheat varieties today.  
Stb6 is the first resistance gene against Z. tritici to be identified and functionally validated in wheat. This research represents a major step forward for the wheat-Z. tritici pathosystem, which is of global importance. The findings will help clarify the molecular mechanisms underlying the interactions between the fungal pathogen and its plant host. This work is timely because another INRA team recently identified and functionally validated an avirulence gene in Z. tritici, AvrStb6, which encodes for a protein that is directly or indirectly recognized by Stb6. Overall, this study should help improve strategies for enhancing wheat resistance to STB.  

*Generally speaking, a host plant’s response to a given pathogen is determined by a specific resistance (R) gene. The pathogen, in turn, carries a corresponding avirulence gene (Avr), which determines the pathogen’s ability to cause disease in the host plant. Upon infection, the protein encoded by the host plant’s R gene recognizes the protein encoded by the pathogen's Avr gene, and the plant then initiates a cascade of immune defenses. This reaction limits the pathogen's development and thus protects the host against disease. This interaction is known as a gene-for-gene relationship.

Référence

Septoriose du blé : clonage et caractérisation du premier gène de résistance à Zymoseptoria tritici

L’utilisation de variétés de blés améliorées pour leur résistance au champignon Zymoseptoria tritici responsable de la septoriose contribue largement à la lutte contre cette maladie. Pour la première fois, des chercheurs de l’Inra ont identifié et caractérisé chez le blé un gène de résistance à cette maladie. Ces travaux, publiés le 12 février 2018, dans la revue Nature Genetics, ouvrent de nouvelles perspectives de lutte durable contre la septoriose.

Due au champignon pathogène Zymoseptoria tritici, la septoriose du blé est une des maladies foliaires les plus préjudiciables à cette culture, entrainant des pertes de rendement conséquentes.
Si la lutte contre cette maladie repose essentiellement sur l’utilisation de fongicides de synthèse, elle s’oriente également vers l’utilisation de variétés de blé résistantes*, dans l’objectif de construire une agriculture plus durable. Plus ou moins rapidement, cependant, la capacité d’adaptation des populations pathogènes aboutit au contournement des résistances variétales, limitant ainsi l’efficacité de ces dernières.
La connaissance et la caractérisation des gènes impliqués dans la résistance aux agents pathogènes, et de leurs fonctions, est donc primordiale pour envisager des stratégies d’utilisation raisonnée des résistances.
A ce jour, 21 gènes majeurs de résistance à Z. tritici (Stb) ont été identifiés chez le blé sans qu’aucun n’ait été cloné et caractérisé. Parmi eux, le gène de résistance Stb6, bien connu de la communauté scientifique, est fréquent dans les variétés anciennes et modernes de blés. Bien que contourné, ce gène confère toujours une résistance au champ contre une partie de la population du champignon.

Stb6, premier gène de résistance identifié chez le blé…

Utilisant les techniques les plus performantes et les outils et ressources les plus récents de la génétique et génomique du blé, des chercheurs de l’Inra et leurs collègues du centre de recherche de Rothamsted (GB) ont, pour la première fois, identifié et isolé un gène de résistance du blé à Z. tritici, le gène Stb6. Localisé sur le bras court du chromosome 3A du blé, il code pour une protéine de 647 amino acids, un récepteur à activité kinase de la famille des kinases associées à la paroi cellulaire (WAK). Comme ses consœurs WAK impliquées dans la défense contre les agents pathogènes, la protéine de résistance Stb6 possède un domaine extracellulaire qui contrôle les modifications au sein de la paroi cellulaire et un domaine intracellulaire à l’origine de l’induction de la cascade des voies de défense.

… et caractérisé fonctionnellement

Dans un deuxième temps, les scientifiques ont validé fonctionnellement ce gène. Son introduction chez une variété sensible de blé confère à celui-ci une résistance à la septoriose.

Le gène Stb6 est par ailleurs remarquablement conservé chez le blé tendre, Triticum aestivum. Seules huit formes alternatives (ou allèles) de ce gène ont été identifiées parmi les 98 accessions de blé - c’est-à-dire des blés ancestraux ou des variétés cultivées aujourd’hui et conservées en collection – analysées. Parmi ces huit allèles, on compte notamment un allèle majeur de résistance, présent dans la moitié des variétés de blés cultivées en France et en Grande-Bretagne et plusieurs allèles de sensibilité. L’un de ces allèles de sensibilité diffère de l’allèle de résistance par un seul nucléotide. Celui-ci, localisé dans le site actif de la partie kinase de la protéine de résistance, entraine une perte d’activité, ce qui est vraisemblablement à l’origine de la sensibilité des individus portant cet allèle.
La prévalence de l’allèle de résistance chez l’amidonnier, T. dicoccum, une des plus anciennes espèces de blé cultivée et à l’origine des blés tendres actuels, suggère que le gène Stb6 ait été introduit en agriculture dès la domestication du blé, ce qui expliquerait sa prévalence actuelle chez le blé.

Stb6 est le premier gène de résistance à Z. tritici à être identifié et validé fonctionnellement chez le blé. Cette avancée majeure vis-à-vis d’un pathosystème d’importance mondiale, permettra à terme de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de l’interaction entre le champignon pathogène et sa plante hôte, d’autant que le gène d’avirulence AvrStb6, dont le produit est reconnu directement ou indirectement par Stb6, a été récemment identifié et validé fonctionnellement chez Z. tritici par une autre équipe de l’Inra, et d’améliorer les stratégies de déploiements des résistances du blé à la septoriose.

* D’une manière générale, la résistance d’une plante à un agent pathogène donné et la capacité de ce dernier à provoquer une maladie chez cette plante, sont deux paramètres contrôlés par un gène de résistance de la plante et un gène d’avirulence de l’agent pathogène. La reconnaissance du produit de ce gène d’avirulence par la plante hôte dotée du gène de résistance correspondant induit une cascade de réactions de défense de la plante. Celles-ci limitent le développement pathogène du champignon dans la plante et protègent cette dernière de la maladie.

Référence

Website: https://www.inrae.fr

Published: February 13, 2018