Components of the early stages of septoria tritici blotch epidemics (Zymoseptoria tritici): quantity, efficiency and origin of primary inoculum

Les maladies foliaires fongiques sont une contrainte majeure des systèmes céréaliers. Elles constituent par ailleurs de précieux modèles d'étude pour comprendre comment commence une épidémie, questionnement récurrent en épidémiologie végétale. Dans cette thèse ont été étudiés trois des principaux déterminants des phases précoces des épidémies de septoriose du blé causée par Zymoseptoria tritici : quantité, efficacité et origine de l'inoculum primaire. L'étude a porté sur deux épidémies successives dans deux parcelles de blé proches l’une de l’autre au sein d'un dispositif pluriannuel (2011-2013 ; Grignon, France). La première parcelle, caractérisée par l'absence de résidus, était exposée à des sources distantes d'inoculum primaire, et la seconde, en monoculture de blé depuis plusieurs années, présentait une quantité importante de résidus contaminés agissant comme source locale d'inoculum primaire. Dans la première partie de la thèse, la capture d’ascospores à l’aide d’un piège volumétrique couplé à une quantification de l'ADN par qPCR a permis de quantifier l'inoculum primaire présent dans l'air au-dessus des parcelles pendant les phases épidémiques précoces. Les limites de détection et de quantification ont été déterminées, discutées et utilisées afin d'estimer de faibles quantités d’ascospores. Ni la présence locale de résidus contaminés ni la quantité d’inoculum au-dessus des parcelles n'ont été corrélées avec la précocité des deux épidémies. Dans la seconde partie, la pathogénicité des ascospores et des pycnidiospores de Z. tritici a été estimée sur plante adulte et comparée. La période de latence consécutive à une infection par ascospore a été plus longue de 60 degrés-jour qu’après une infection par une pycnidiospore. Dans la troisième partie de la thèse, qui visait à identifier l'origine de l'inoculum primaire, deux stratégies ont été adoptées. La première stratégie a consisté à rechercher des changements dans la structure génétique de différentes sous-populations collectées dans les deux parcelles sur une période de trois années en utilisant des marqueurs neutres (SSR). Aucune structure n'a été identifiée, mais de légères différenciations chez certaines sous-populations, cohérentes avec le contexte épidémiologique (nature du cycle de reproduction dont elles découlent, période épidémique, intensité de maladie), ont été mises en évidence. Ces résultats n'ont toutefois pas permis de déterminer l'origine de l'inoculum primaire puisqu'aucune différence entre les sous-populations résidantes (locales) et immigrantes (distantes), ni de discontinuité génétique entre sous-populations de fin (saison n) et de début d'épidémie (saison n+1), n'a été mise en évidence. La seconde stratégie a consisté à comparer le profil d'agressivité (capacité de sporulation et période de latence) d’une population de Z. tritici collectée en début d’épidémie dans la parcelle en monoculture de blé, à celui d'une population résidante (ascospores issues des résidus présents dans la parcelle) et d'une population immigrante (lésions provoquées par des ascospores d'origine distante). Le profil de la population testée, plus proche de celui de la population résidante, a suggéré que l'épidémie avait été déclenchée majoritairement par un inoculum primaire d’origine locale. Il ressort de cette étude de cas qu’une gestion quantitative (réduction) de l'inoculum primaire serait probablement très peu efficace, tandis que sa gestion qualitative, tenant compte de l'adaptation différentielle de populations pathogènes à leurs hôtes, mériterait d’être intégrée dans des stratégies de protection (alternance de variétés dans le temps). Pour finir, la définition du début et de la fin d'une épidémie a été discutée, selon que l’on se place à une échelle annuelle (absence de l’hôte comme critère de début/fin) ou pluriannuelle (discontinuité de pression pathogène comme critère de début/fin, indépendamment de l’absence de l'hôte).

Fungal foliar diseases are a major constraint to cereal production systems. They constitute relevant models to elucidate how an epidemic begins, which is a recurrent question in plant disease epidemiology. In this thesis three of the main components of the early stages of the epidemics of septoria tritici blotch, a wheat disease caused by Zymoseptoria tritici, were studied: the quantity, the efficiency and the origin of primary inoculum. The study focused on epidemics occurring over the 2011-2013 cultural seasons in two wheat plots located close to each other in Grignon (France). The first plot, characterized by the absence of debris, was exposed to distant sources of primary inoculum, while the second plot, grown in wheat for several years, had a large amount of contaminated debris acting as a local source of primary inoculum. In the first part of the thesis, ascospore trapping using a volumetric spore trap combined with DNA quantification by qPCR allowed to quantify the inoculum present in the air above the wheat plots during the early stages of the epidemics. The limits of detection and quantification were determined, discussed and used to estimate small amounts of ascospores. Neither the local presence of contaminated debris nor the quantity of inoculum above the plots was correlated with the earliness of the epidemics. In the second part, the pathogenicity of Z. tritici ascospores and pycnidiospores was estimated on adult plants. The latent period following infections by ascospores was 60 degree-days longer than following infection by pycnidiospores. In the third part of the thesis, which aimed to identify the source of primary inoculum, two strategies were developed. The first strategy investigated changes in the genetic structure of different subpopulations collected from both wheat plots over a period of three years using neutral markers (SSR). No structure was identified, but slight differentiations in some subpopulations, consistent with the epidemiological context (nature of the reproduction cycle from which they derived, epidemic period, disease intensity) were highlighted. These results, however, did not allow to determine the origin of the primary inoculum because no difference between resident (local) and immigrant (distant) subpopulations, or a genetic discontinuity between subpopulations from the end (season n) and the beginning of epidemics (season n + 1), were identified. The second strategy compared the aggressiveness profile (sporulation capacity and latent period) of a Z. tritici population collected at the beginning of an epidemic in the monoculture wheat plot and of a resident population (ascospores ejected from debris present in the plot) and to an immigrant population (leaf lesions caused by ascospores of distant origin). The profile of the tested population, closer to that of the resident population, suggested that the epidemic was mainly initiated by primary inoculum of local origin. This case study showed that a quantitative management (reduction) of the primary inoculum would be probably inefficient, while its qualitative management, taking into account the differential adaptation of pathogen populations to their hosts, deserves to be taken into account in crop protection strategies (alternating wheat cultivars in time). Finally, the definition of the beginning and the end of an epidemic was discussed, depending if we consider an annual scale (absence of the host as a beginning or end criterion) or a multiannual scale (pathogen pressure discontinuity as the beginning or end criterion, regardless of the absence of the host).