INTITULE DU STAGE : Quelles sont les bases génétiques des interactions plante-plante déterminant la résistance du blé dur aux maladies ? Application à la conception de mélanges variétaux pour une agriculture ‘0 pesticide’

CONTEXTE
Afin de proposer une lutte contre les agents pathogènes des céréales respectueuse de l’environnement, proposer des leviers d’action basés sur l’immunité est essentiel. Un des leviers proposés en agro-écologie est de favoriser la biodiversité dans les parcelles en cultivant des mélanges de variétés (Barot et al 2017). De nombreuses méta-analyses chez les céréales ont en effet montré que les mélanges de variétés permettaient de mieux réguler les pathogènes et de produire plus qu’attendu sur la base des performances des variétés en monoculture (Smithson et Lenné 1996, Reiss & Drinkwater, 2018). Cependant, ce patron général masque une grande variation de résultats, différents travaux ayant mis en évidence que les mélanges pouvaient également s’avérer moins performants en terme de rendement et de régulation des pathogènes que les cultures monovariétales (voir par ex, Smithson et Lenné 1996). A ce jour, les mécanismes qui déterminent les interactions entre variétés dans le contexte des cultures en mélange et leurs bases génétiques restent largement inexplorés (Barot et al. 2017). Définir des mélanges variétaux aptes à bien produire dans une agriculture ‘0 pesticide’ reste donc difficile.
Les récentes avancées des technologies de génotypage offrent aujourd’hui la possibilité d’aborder les interactions entre plantes sous l’angle génomique (Wuest et al 2018, Turner et al 2020). Les équipes GE2pop et MOMIE travaillent en collaboration dans le domaine de la génomique des plantes pour mieux comprendre les variations de performance et de résistance aux pathogènes des mélanges variétaux et les mécanismes évolutifs et écologiques qui sous-tendent ces interactions, en utilisant le couple blé dur – septoriose comme modèle hôte-pathogène. Dans ce cadre, nous nous intéressons en particulier à la sélection de parentèle, théorie développée pour comprendre l’évolution de comportements sociaux (Hamilton 1964). De récents travaux montrent que les interactions plantes-plantes peuvent fortement modifier l’immunité et la résistance des plantes à de nombreux agents pathogènes (Pélissier et al. 2021). En utilisant une approche génomique, nous avons récemment identifié un locus sur le chromosome 6B impliqué dans les interactions entre plantes : nous avons montré que les parcelles en mélange de deux génotypes de blé dur avaient un plus faible rendement et étaient plus attaquées par la septoriose quand les deux génotypes partageaient le même allèle à ce locus que quand ils portaient un allèle différent (Montazeaud et al, en révision). Ce résultat original, qui montre que la diversité allélique à certains locus, peut négativement affecter la performance des mélanges, souligne l’intérêt de raisonner la diversité génétique à l’échelle génomique pour concevoir des mélanges performants.

OBJECTIFS
L’objectif du stage est d’identifier les déterminants génétiques des interactions plante-plante qui déterminent la résistance aux maladies chez le blé dur. Nous avons conduit des expérimentations en laboratoire en inoculant des plantes avec des souches de septoriose afin de réaliser une cartographie d’association, c’est-à-dire d’identifier des régions génomiques pour lesquelles la biomasse et la sévérité de la septoriose d’une plante dépendent non seulement du génotype de cette plante mais également du génotype de la plante voisine. Le travail proposé en stage consistera à analyser ces données déjà disponibles en partant d’un modèle statistique de GWAS intégrant cet effet du voisin, qu’il faudra raffiner. Les effets alléliques détectés pourraient être ensuite combinés dans une régression multilocus (et éventuellement étendue à une prédiction génomique à l’échelle du génome). Les résultats obtenus seront discutés en lien avec les mécanismes d’interaction plante-plante proposés dans la littérature en biologie évolutive et en écologie, et l’histoire évolutive du blé dur.

COMPETENCES ACQUISES LORS DU STAGE
Le.la candidat.e disposera d’un jeu de données acquis en 2021 et pourra ainsi se former aux modèles d’analyse de données génomiques sous R. Il(elle) pourra également mettre en place des expérimentations en serre pour valider les régions génomiques identifiées.

ENCADREMENT
Le.la candidat.e sera accueilli.e dans l’équipe Génomique Evolutive et Gestion des Populations (https://umr-agap.cirad.fr/nos-recherches/equipes-scientifiques/genomique-evolutive-et-gestion-des-populations/contexte) de l’UMR AGAP à Montpellier (https://umr-agap.cirad.fr/). Il.elle sera encadrée.e au quotidien par Jacques David (Institut Agro, équipe GE2pop) et Hélène Fréville (INRAE, équipe GE2pop). Il/elle bénéficiera également de l’appui d’Elsa Ballini (Institut Agro, équipe MOMiE: https://umr-phim.cirad.fr/recherche/comprendre-le-phytobiome-phytobiom/equipe-momie, de l’UMR PHIM : https://umr-phim.cirad.fr/). Il (elle) travaillera en interaction avec le groupe de travail du consortium Mobidiv, dédié au développement de modèles statistiques intégrant les effets génétiques de plantes en interaction (https://www6.inrae.fr/cultiver-proteger-autrement/Les-Projets/MOBIDIV).

PERSONNES A CONTACTER
jacques.david@supagro.fr ; helene.freville@inrae.fr

REFERENCES DE l’ EQUIPE D’ACCUEIL SUR CETTE THEMATIQUE
Fréville H et al (2019) Preferential helping to relatives: a potential mechanism responsible for lower yield of crop variety mixtures? Evolutionary Applications 12, 1837–1849. https://doi.org/10.1111/eva.12842.
Montazeaud G et al (in revision) From cultivar mixtures to allelic mixtures: opposite effects of allelic richness between genotypes and genotype richness in wheat.
Montazeaud G et al (2020) Multifacted functional diversity for multifaceted crop yield: towards ecological assembly rules for varietal mixtures. Journal of Applied Ecology. https://doi.org/10.1111/1365-2664.13735.
Montazeaud G et al (2020) Farming plant cooperation in crops. Proceedings of the Royal Society B 287, 20191290. http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2019.1290.
Montazeaud G et al (2017) Crop mixtures: does niche complementarity hold for belowground resources? An experimental test using rice genotypic pairs. Plant and Soil, 1-16. https://doi.org/10.1007/s11104-017-3496-2
Pélissier, R., L. Buendia, a. Brousse, C. Temple, E. Ballini, F. Fort, C. Violle and J.-B. Morel (2021). « Plant neighbour-modulated susceptibility to pathogens in intraspecific mixtures. » Journal of Experimental Botany.
Pélissier, R., C. Violle and J.-B. Morel (2021). « Plant immunity: Good fences make good neighbors? » Current Opinion in Plant Biology 62: 102045.

REFERENCES CITEES
Barot S et al (2017) Designing mixtures of varieties for multifunctional agriculture with the help of ecology. A review. Agronomy for sustainable development 37: 13.
Hamilton W (1964) The genetical evolution of social behaviour. I. Journal of Theoretical Biology, 7(1), 1–16.
Reiss E, Drinkwater L (2018) Cultivar mixtures: a meta-analysis of the effect of intraspecific diversity on crop yield. Ecological Applications 28 : 62–77.
Smithson J, Lenné J (1996) Varietal mixtures: a viable strategy for sustainable productivity in subsistence agriculture. Annals of Applied Biology 128: 127–158.
Turner K, Lorts C, Haile A, Lasky J (2020) Effects of genomic and functional diversity on stand-level productivity and performance of non-native Arabidopsis. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 287: 20202041.
Wuest S, Niklaus P (2018) A plant biodiversity effect resolved to a single chromosomal region. Nature Ecology & Evolution 2: 1933–1939.

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