Population biology and invasion history of Puccinia striiformis f.sp.tritici at worldwide and local scale

Analyses of the large-scale population structure of pathogens enable the identification of migration patterns, diversity reservoirs or longevity of populations, the understanding of current evolutionary trajectories and the anticipation of future ones. A detailed analysis of populations in centre of diversity should enable to infer the adaptive capacity of the pathogen and identify potential sources for new invasions. Puccinia striiformis f.sp. tritici (PST) is the causal agent of wheat yellow/stripe rust, and despite a worldwide distribution, this fungus remains a model species for invasion studies, due to its long-distance migration capacity and recurrent local emergence of new strains. Little is known about the ancestral relationship of the worldwide PST population with unknown center of origin. We used multilocus microsatellite genotyping to infer the worldwide population structure of PST and the origin of new invasions, analysing a set of isolates representative of sampling performed over six continents. Bayesian and multivariate clustering methods partitioned the isolates into six distinct genetic groups, corresponding to distinct geographic areas. The assignment analysis confirmed the Middle East-Red Sea Area as the most likely source of newly spreading, high-temperature-adapted strains; Europe as the source of South American, North American and Australian populations; and Mediterranean-Central Asian populations as the origin of South African populations. The existence of strong population subdivision at worldwide level shows that major genetic groups are not markedly affected by recent dispersal events. However, the sources for recent invasions and the migration routes identified emphasize the importance of human activities on the recent long-distance spread of the disease. The analyses of linkage disequilibrium and genotypic diversity indicated a strong regional heterogeneity in levels of recombination, with clear signatures of recombination in the Himalayan (Nepal and Pakistan) and near-Himalayan (China) regions and a predominant clonal population structure in other regions. To explain the variability in diversity and recombination of worldwide PST populations, we assessed their sex ability in terms of telial production, the sex-specific structures that are obligatory for PST sexual cycle, in a set of 56 isolates representative of these worldwide geographical origins. We confirmed that the variability in genotypic diversity/ recombination was linked with the sex ability, pinpointing the Himalayan region as the possible center of origin of PST, from where it then spread worldwide. The reduced sex ability in clonal populations certainly reflects a loss of sexual function, associated to migration in areas where sexual alternate host is lacking, or not necessary for the completion of epidemic cycle. Approximate Bayesian computation analyses confirmed an out of Himalaya spread of PST, with Pakistan and China being the most ancestral population. A detailed analysis of Pakistani population at regional level revealed the existence of a strong population subdivision, a high genotypic diversity and the existence of recombination signature at each location reflecting the role of sexual recombination in the temporal maintenance at local level. A time spaced sampling of PST in the valley of Tianshui (China) inspired the development of a new estimator, allowing to quantify the relative contribution of sexual reproduction and effective population size on the basis of clonal resampling within and between years. A sexual reproduction rate of 74% (95% confidence interval [CI]: 38-95%) and effective population size of 1735 (95% CI: 675-2800) was quantified in Chinese PST population. The description of the origin and migration routes of PST populations worldwide and at its centre of diversity contributes to our understanding of PST evolutionary potential, and is helpful to build disease management strategies.

L’étude de la structure génétique des populations d’agents pathogènes à grandes échelles reste très important dans la contexte de nouvelles invasions. Puccinia striiformis f.sp. tritici (PST), responsable de la rouille jaune du blé, constitue un modèle fongique d’intérêt pour les études d’invasion étant donné sa capacité de migration et l’apparition récurrente de nouvelles souches localement. Nous avons analysé la structure des populations de PST à l’échelle mondiale, à l’aide de marqueurs microsatellites sur un échantillon de 409 isolats issus des six continents. Les génotypes ont été répartis en six groupes génétiques correspondant à leur origine géographique. Les analyses indiquent une forte hétérogénéité géographique de diversité génotypique, avec des signatures de recombinaison dans les régions de l'Himalaya (Népal et Pakistan) et à proximité en Chine. La structure reste clonale pour les populations des autres régions. L’assignation des isolats aux différents groupes génétiques a permis de déterminer l’origine des invasions (récentes ou anciennes). Ainsi, les souches agressives adaptées à de hautes températures, répandues de par le monde depuis 2000, sont originaires de Mer rouge-Moyen Orient ; les isolats d'Amérique du Nord et du Sud et d’Australie proviennent d’Europe du Nord-Ouest. Par ailleurs, les isolats d'Afrique du Sud appartiennent au groupe génétique de la zone méditerranéenne. La subdivision marquée entre les différentes zones géographiques indique qu’elles ne sont pas fortement marquées par les migrations récentes. De plus, les voies de migration identifiées attestent de l'importance des activités humaines dans la dispersion de PST à longue distance. La biologie des populations des zones les plus diverses (Chine et Pakistan) a été finement étudiée à l’aide d‘échantillonnages réalisés deux années consécutives. Une population échantillonnée en 2004 et 2005 dans la vallée de Tianshui, (province de Gansu, Chine), s’est révélée très diverse, fortement recombinante et non structurée spatialement et temporellement. L’observation de clones identiques entre les deux échantillons temporels a permis de développer un estimateur du taux de sexualité, i.e. du rôle relatif de la reproduction sexuée par rapport à celui de la reproduction asexuée dans le maintien de la population. Ce taux de reproduction sexuée est estimé à 74 %, alors que la taille efficace de la population est de 1735, ce qui donne les premières indications du rôle du cycle sexué. L’échantillonnage réalisé au Nord du Pakistan a permis de décrire quatre groupes génétiques ayant tous une grande diversité génotypique et une structure recombinante. Le très faible taux de ré-échantillonnage de génotypes identiques au cours de deux années suggère le rôle prédominant de la reproduction sexuée dans le maintien temporel des populations locales. La forte diversité génétique et génotypique, la signature de recombinaison et la capacité à la reproduction sexuée de PST dans la région himalayenne suggèrent que cette zone est le centre d'origine potentielle de PST. Les analyses d’approximations bayésiennes confirment la thèse d’une dispersion à partir de l’Himalaya vers les autres régions du monde. La variabilité pour la capacité à produire des téleutosores, spores indispensables à l’initiation de la phase sexuée, a été analysée (56 isolats mondiaux), et s’avère liée à la variabilité génotypique et au taux de recombinaison. Ce résultat conforte la thèse de l'apparition de la sexualité dans la zone himalayenne et à proximité de cette zone et de la perte de sexualité lors de migrations dans les zones où l’hôte alternant est absent et où le cycle épidémique est essentiellement asexué. La description de l'origine, des voies mondiale de migration de PST ainsi que de son centre de diversité contribue à la compréhension du potentiel évolutif de PST et à la construction de stratégies de gestion de lutte contre l’agent pathogène.