Septoria tritici blotch, caused by the fungal pathogen Zymoseptoria tritici, is a highly significant disease on wheat crops worldwide. The objective of the present study was to find out new bacterial strains with bio-antimicrobial activity against Z. tritici. Two phyllospheric bacteria (S1 and S6) were isolated from wheat ears and identified as Bacillus velezensis strains according to 16S rRNA Sanger sequencing. Antagonistic assays performed with either living strains or cell-free culture filtrates showed significant in vitro antifungal activities against Z. tritici. For the culture filtrates, the half-maximal inhibitory dilution and the minimal inhibitory dilution were 1.4% and 3.7% for the strain S1, and 7.4% and 15% for the strain S6, respectively. MALDI—ToF analysis revealed that both strains synthesize cyclic lipopeptides but from different families. Interestingly, only strain S1 produces putative bacillomycin D. Such differential lipopeptide production patterns might explain the difference observed between the antifungal activity of the culture filtrates of the two strains. This study allows the identification of new lipopeptide-producing strains of B. velezensis with a high potential of application for the biocontrol of Z. tritici.

The hemibiotrophic fungus Zymoseptoria tritici, responsible for Septoria tritici blotch, is currently the most devastating foliar disease on wheat crops worldwide. Here, we explored, for the first time, the ability of rhamnolipids (RLs) to control this pathogen, using a total of 19 RLs, including a natural RL mixture produced by Pseudomonas aeruginosa and 18 bioinspired RLs synthesized using green chemistry, as well as two related compounds (lauric acid and dodecanol). These compounds were assessed for in vitro antifungal effect, in planta defence elicitation (peroxidase and catalase enzyme activities), and protection efficacy on the wheat-Z. tritici pathosystem. Interestingly, a structure-activity relationship analysis revealed that synthetic RLs with a 12 carbon fatty acid tail were the most effective for all examined biological activities. This highlights the importance of the C12 chain in the bioactivity of RLs, likely by acting on the plasma membranes of both wheat and Z. tritici cells. The efficacy of the most active compound Rh-Est-C12 was 20-fold lower in planta than in vitro; an optimization of the formulation is thus required to increase its effectiveness. No Z. tritici strain-dependent activity was scored for Rh-Est-C12 that exhibited similar antifungal activity levels towards strains differing in their resistance patterns to demethylation inhibitor fungicides, including multi-drug resistance strains. This study reports new insights into the use of bio-inspired RLs to control Z. tritici.

Plant immunity induction with natural biocontrol compounds is a valuable and promising ecofriendly tool that fits with sustainable agriculture and healthy food. Despite the agroeconomic significance of wheat, the mechanisms underlying its induced defense responses remain obscure. We reveal here, using combined transcriptomic, metabolomic and cytologic approach, that the lipopeptide mycosubtilin from the beneficial bacterium Bacillus subtilis, protects wheat against Zymoseptoria tritici through a dual mode of action (direct and indirect) and that the indirect one relies mainly on the priming rather than on the elicitation of plant defense-related mechanisms. Indeed, the molecule primes the expression of 80 genes associated with sixteen functional groups during the early stages of infection, as well as the accumulation of several flavonoids during the period preceding the fungal switch to the necrotrophic phase. Moreover, genes involved in abscisic acid (ABA) biosynthesis and ABA-associated signaling pathways are regulated, suggesting a role of this phytohormone in the indirect activity of mycosubtilin. The priming-based bioactivity of mycosubtilin against a biotic stress could result from an interaction of the molecule with leaf cell plasma membranes that may mimic an abiotic stress stimulus in wheat leaves. This study provides new insights into induced immunity in wheat and opens new perspectives for the use of mycosubtilin as a biocontrol compound against Z. tritici.

La septoriose, causée par le champignon hémibiotrophe Zymoseptoria tritici, est l’une des maladies les plus préjudiciables sur les cultures de blé, responsable de pertes de rendement pouvant atteindre 50%. La lutte contre cette maladie repose essentiellement sur l’utilisation des fongicides conventionnels et, dans une moindre mesure, sur le recours aux ressources variétales. Toutefois, en raison des résistances développées par l’agent pathogène vis-à-vis de ces leviers et d’une demande sociale croissante pour limiter l’utilisation des intrants chimiques en agriculture, des alternatives agroécologiques, comme le biocontrôle, doivent être développées. L’objectif de ce présent projet de thèse se situe dans ce contexte et vise à identifier des composés de biocontrôle efficaces sur le pathosystème blé-Z.tritici et de caractériser leurs modes d’action. Tout d’abord, un criblage in vitro d’un panel de 181 composés microbiens (extraits fongiques ou bactériens, rhamnolipides, lipopeptides, etc.) a été réalisé pour évaluer leur activité antifongique directe vis-à-vis de l’agent pathogène. Les composés les plus actifs ont ensuite été sélectionnés pour vérifier leur efficacité de protection in planta. Une étude de relation structure-activité a été menée avec 19 rhamnolipides (RL) et a révélé que ceux présentant des liaisons ethers ou esters, avec une chaine carbonée hydrophobe de 12 carbones, sont les plus efficaces pour toutes les activités biologiques testées (activité biocide, élicitation des défenses du blé et efficacité de protection). Parmi eux, le Rh-Est-C12 s’est montré le plus prometteur, avec une efficacité de protection de 78,9%. Le potentiel de ce RL, ainsi que de la mycosubtiline, un lipopeptide efficace pour protéger le blé contre Z. tritici, pour stimuler les défenses du blé, a été étudié à l’aide d’une approche combinée de transcriptomique et de métabolomique. Le RL n’a pas déclenché de modifications majeures de la physiologie foliaire de blé ; celui-ci protégerait donc l’hôte principalement via son activité directe vis-à-vis du champignon, alors que la mycosubtiline semble présenter un mode d’action double, basé sur l’activité antifongique directe et la potentialisation des défenses du blé. Cette induction des défenses pourrait résulter de l’interaction de la mycosubtiline avec les membranes cytoplasmiques du blé, conduisant à une accumulation de flavonoïdes dans les feuilles, mais aussi à d’autres réponses dépendantes de la voie de l’acide abscissique. Ces travaux ont par ailleurs permis de mettre en évidence de nouveaux mécanismes dans les réactions de défense du blé vis-à-vis de Z. tritici. Enfin, deux nouvelles souches isolées de Bacillus velezensis ont présenté une activité antifongique prometteuse contre l’agent pathogène, résultant probablement de la production de lipopeptides, comme la baccilomycine D, dont l’activité sur Z. tritici mériterait d’être explorée.