Deciphering the mechanisms involved in the biocontrol of mycotoxinogenic fungi of cereals
Décryptage des mécanismes impliqués dans le biocontrôle des champignons mycotoxinogènes des céréales
Résumé
Deciphering the mechanisms involved in the biocontrol of mycotoxinogenic fungi of cereals.Cereals are the first factor of consumer exposure to mycotoxins, toxic secondary metabolites synthesized by particular moulds and which present a risk for human and animal health. The species Fusarium graminearum and Fusarium verticillioides are thus responsible for the production of trichothecenes and fumonisin-like mycotoxins, respectively, with a high impact especially in pre-harvest. With the decrease of pesticide use due to their toxicity, an alternative strategy to control these fungal diseases in the field may be the use of antagonistic microorganisms. Non-pathogenic, these biocontrol agents (BCAs) are able to limit the progression of Fusaria and their synthesis of mycotoxins through various biological mechanisms, however still poorly understood. In this context, the objectives of this study are to evaluate by which mechanisms three selected BCAs (Streptomyces griseoviridis, Trichoderma asperellum, Pythium oligandrum) can modulate the growth and mycotoxin production of Fusarium pathogens, in vitro and in situ. Antagonistic activities and varying levels of inhibition of growth (up to 80%) and mycotoxinogenesis (up to 90%) have been observed in vitro depending on BCAs, pathogens or culture conditions. The hypotheses are then verified and completed thanks to the development of a toolbox of tests specific to certain modes of action. Their chronology is evaluated throughout the interaction, from pathogenic spore germination to the formation of perithecia, by testing a wide variety of BCA mechanisms: synthesis of anti-germinative compounds, mycophagy, chitinolytic enzyme synthesis, emission of volatile antifungal compounds, inhibition of mycotoxin biosynthesis pathways, mycotoxin bio-transformation, spatial and nutritional competition or impact on pathogen conservation. S. griseoviridis presents nutritional competition capacities, but its main strategy is based on antibiosis, through the synthesis of numerous antifungal compounds that offsets a significant deficit in spatial colonization capacity. However, it can stimulate the mycotoxin production. T. asperellum is capable of activating a very wide range of defenses and attacks combining the synthesis of various antifungal compounds (metabolite, enzymes, VOCs), with different targets (spores, mycelium, mycotoxins), and a direct action by mycoparasitism. The efficacy of P. oligandrum is mainly due to its strong capacity to colonize the environment, with a direct action via microbial predation and reduction of perithecia formation. These in vitro performances could also be analyzed in F. graminearum in situ throughout its life cycle (from colonization of ears to survival in culture residues), and put into perspective with the different modes of action identified in each of the BCAs. The whole project has led to important advances in deciphering the mechanisms of action of BCAs and proposes ways of improvement to optimize the use and efficacy of these antagonists. Thus limit the use of chemical plant protection products, while maintaining a healthy production with low levels of mycotoxins.
Décryptage des mécanismes impliqués dans le biocontrôle des champignons mycotoxinogènes des céréales.Les céréales sont le premier facteur d'exposition des consommateurs aux mycotoxines, des métabolites secondaires toxiques synthétisés par certaines moisissures et présentant un risque pour la santé humaine et animale. Les espèces Fusarium graminearum et Fusarium verticillioides sont ainsi responsables de la production de mycotoxines de type trichothécènes et fumonisines, respectivement, d’un impact élevé surtout en pré-récolte. Avec la diminution de l'utilisation des pesticides en raison de leur toxicité, une stratégie alternative pour lutter contre ces maladies fongiques au champ, peut-être l'utilisation de micro-organismes antagonistes. Non-pathogènes, ces agents de biocontrôle (BCAs) sont capables de limiter la progression des Fusaria et leur synthèse de mycotoxines à l’aide de différents mécanismes biologiques cependant encore mal connus. Dans ce contexte, les objectifs de cette étude sont d’évaluer par quels mécanismes trois BCAs commerciaux sélectionnés (Streptomyces griseoviridis, Trichoderma asperellum, Pythium oligandrum) peuvent moduler la croissance et la production de mycotoxines des pathogènes du genre Fusarium, in vitro et in situ. Des activités antagonistes et des niveaux variables d'inhibition de la croissance (jusqu’à 80%) et de la mycotoxinogenèse (jusqu’ à 90%) ont été observés in vitro selon les BCAs, les pathogènes ou les conditions de culture. Les hypothèses sont ensuite vérifiées et complétées grâce à la mise au point d’une toolbox de tests spécifiques de certains modes d’action. Leur chronologie est évaluée tout au long de l’interaction, de la germination des spores pathogènes jusqu’à la formation de périthèces de conservation, en testant une grande diversité de mécanismes des BCAs : synthèse de composés anti-germinatifs, mycophagie, synthèse d’enzymes chitinolytiques, émission de composés volatils antifongiques, inhibition des voies de biosynthèse des mycotoxines, bio-transformation de mycotoxines, compétition spatiale et nutritionnelle ou impact sur la conservation du pathogène. S. griseoviridis présente des capacités de compétition nutritionnelle, mais sa stratégie principale est basée sur l'antibiose, à travers la synthèse de nombreux composés antifongiques qui compense un déficit important en capacité de colonisation spatiale. Cependant, il peut être à l’origine de stimulation de production de mycotoxines. T. asperellum est capable d'activer un très large éventail de défenses et d'attaques combinant la synthèse de divers composés antifongiques (métabolite, enzymes, COVs), avec différentes cibles (spores, mycélium, mycotoxines), et une action directe par mycoparasitisme. L’efficacité de P. oligandrum est principalement due à sa forte capacité à coloniser l'environnement, avec une action directe via la prédation microbienne et la réduction de la formation de périthèces. Ces comportements in vitro ont pu également être analysés chez F. graminearum in situ tout au long de son cycle de vie (de la colonisation des épis à la survie dans les résidus de culture), et mis en perspectives avec les différents modes d’action identifiés chez chacun des BCAs. L’ensemble du projet a permis d’importantes avancées dans le décryptage des mécanismes d’actions des BCAs, et propose des voies d’amélioration pour optimiser l'utilisation et l'efficacité de ces antagonistes et donc limiter l'utilisation des produits phytopharmaceutiques, tout en maintenant une production saine avec de faibles niveaux de mycotoxines.
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Sciences agricoles
Origine : Version validée par le jury (STAR)