Brown spot of rice in West Africa : identification of causal species and genetic diversity of Bipolaris oryzae et Exserohilum rostratum
Helminthosporiose du riz en Afrique de l'Ouest : identification des espèces responsables et diversité génétique de Bipolaris oryzae et Exserohilum rostratum
Résumé
Rice is the second most produced cereal in the world. In Africa, many countries are pinning their hopes on local rice production to achieve food security. But phytosanitary problems contribute to food insecurity.Brown spot of rice is a fungal disease that can attack rice at any stage of its development. In sub-Saharan Africa, this disease is on the rise in many countries and causes losses of about 3.3% of production. Despite this situation, the species responsible for the disease, the genetic diversity and the structure of their populations remain poorly known. This knowledge is essential for the development of effective strategies for the control of Brown spot of rice in West Africa.The objectives of this thesis were: (i) to identify the species responsible for Brown spot of rice in West Africa and to evaluate their pathogenesis in a controlled environment, (ii) to analyze the genetic diversity and the mode of reproduction of the most frequent species, (iii) and to develop detection tools.Characterization by genotyping-by-sequencing (GBS) of 469 isolates isolated from the symptoms of Brown spot of rice allowed to assign the isolates to species: two major species, Bipolaris oryzae (37%) and Exserohilum rostatum (41%), and 9 less frequent species (<5%; B. bicolor, B. maydis, B. sorokiniana, B. secalis, B. yamadae, Curvularia hawaiiensis, C. papendorfii, C. spicifera and E. turcicum). The two most frequent species were identified in most of the countries sampled.The analysis of the genetic structure of B. oryzae and E. rostratum carried out on samples from 6 rice-growing areas of Burkina Faso showed that genetic differentiation was greater within populations than between populations. Each of the species was structured into 4 genetic groups whose distribution was independent of the geographic origin of the isolates. Evidence of recombination has been identified in populations of B. oryzae and E. rostratum. The relative frequencies of mating types were consistent with sexual reproduction for B. oryzae but not for E. rostratum. Strains carrying both signs of compatibility were observed in the latter species.Pathogenicity tests carried out by spraying conidial suspensions (B. bicolor, B. maydis, B. oryzae, B. sorokiniana, C. spicifera and E. rostratum) on the leaves of rice varieties FKR 19, FKR62N, Gambiaka, Manobi, Kitaake and TS2 showed that B. oryzae and B. maydis are the most pathogenic species. Cultivars FKR 19 and FKR62N from Burkina Faso showed greater resistance to all species tested.The multiple alignment of the GAPDH gene sequences produced during this thesis or already available made it possible to design 4 pairs of primers to distinguish the main species responsible for Brown spot of rice. They specifically detect Bipolaris spp, B. maydis, B. oryzae and E. rostratum. The PCR amplification tests carried out using isolates of the target species and various fungal species isolated from rice showed very good sensitivity (rate of true positives varying from 98% to 100%), very good specificity (rate of true negative of 100%) and a low detection threshold (0.01 ng/µL of DNA; 0.25% of infected grains). Detections were also possible on rice infected leaves.This study has produced new insights into a re-emerging disease and provides a basis for directing future studies on the biology and genetics of B. oryzae and E. rostratum in West Africa. It also opens up prospects for the epidemiological monitoring of Brown spot of rice and for effective certification of rice seeds for the benefit of producers.
Le riz est la deuxième céréale la plus produite dans le monde. En Afrique, de nombreux Etats fondent leur espoir sur la production locale de riz pour atteindre la sécurité alimentaire. Les problèmes phytosanitaires contribuent à l'insécurité alimentaire. L'helminthosporiose du riz est une maladie fongique qui peut attaquer le riz à tous les stades de son développement. En Afrique subsaharienne, cette maladie est en progression dans de nombreux pays et cause des pertes d'environ 3,3% de la production. Malgré ce constat, les espèces responsables de la maladie, la diversité génétique et la structuration de leurs populations restent peu connues. Ces connaissances sont primordiales à l'élaboration de stratégies efficaces de lutte contre l'helminthosporiose du riz en Afrique de l'Ouest.Cette thèse avait pour objectifs : (i) d'identifier les espèces responsables de l'helminthosporiose du riz en Afrique de l'Ouest et d'évaluer leur pathogénie en milieu contrôlé, (ii) d'analyser la diversité génétique et le mode de reproduction des espèces les plus fréquentes, (iii) et de développer des outils de détection.La caractérisation par genotyping by sequencing (GBS) de 469 isolats isolés des symptômes de l'helminthosporiose du riz a permis d'assigner les isolats à des espèces : deux espèces majoritaires, Bipolaris oryzae (37%) et Exserohilum rostatum (41%), et 9 espèces moins fréquentes (<5% ; B. bicolor, B. maydis, B. sorokiniana, B. secalis, B. yamadae, Curvularia hawaiiensis, C. papendorfii, C. spicifera et E. turcicum). Les deux espèces les plus fréquentes ont été identifiées dans la plupart des pays échantillonnés.L'analyse de la structure génétique de B. oryzae et E. rostratum réalisée sur des échantillons provenant de 6 zones rizicoles du Burkina Faso a montré que la différenciation génétique était plus importante au sein des populations qu'entre les populations. Chacune des espèces était structurée en 4 groupes génétiques dont la distribution était indépendante de l'origine géographique des isolats. Des preuves de recombinaison ont été identifiées dans les populations de B. oryzae et E. rostratum. Les fréquences relatives des signes de compatibilité sexuelle étaient en accord avec une reproduction sexuée pour B. oryzae mais pas pour E. rostratum. Des souches porteuses des deux signes de compatibilité ont été observées dans cette dernière espèce.Les tests de pathogénicité réalisés par pulvérisation de suspensions conidiennes (B. bicolor, B. maydis, B. oryzae, B. sorokiniana, C. spicifera et E. rostratum) sur les feuilles des variétés de riz FKR19, FKR62N, Gambiaka, Manobi, Kitaake et TS2 ont montré que B. oryzae et B. maydis sont les espèces les plus pathogènes. Les cultivars FKR19 et FKR62N du Burkina Faso ont montré une plus grande résistance à toutes les espèces testées.L'alignement multiples des séquences du gène GAPDH produites durant cette thèse ou déjà disponibles ont permis de dessiner 4 couples d'amorces pour distinguer les principales espèces responsables de l'helminthosporiose. Ils détectent spécifiquement Bipolaris spp, B. maydis, B. oryzae et E. rostratum. Les tests d'amplification PCR réalisés à partir des isolats des espèces cibles et de diverses espèces fongiques isolées du riz ont montré une très bonne sensibilité (taux de vrais positifs variant de 98 % à 100%), une très bonne spécificité (taux de vrais négatifs de 100%) et un faible seuil détection (0,01 ng/µL d'ADN ; 0,25% de grains infectés). Des détections ont été aussi possibles sur les feuilles de riz infectées.Cette étude a produit des connaissances nouvelles sur une maladie ré-émergente et fournit une base pour l'orientation des études futures sur la biologie et la génétique de B. oryzae et E. rostratum en Afrique de l'Ouest. Elle ouvre également des perspectives pour le suivi épidémiologique de l'helminthosporiose et pour une certification efficace des semences de riz au profit des producteurs.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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