Projet ANR-13-JSV7-0012 – Bugspit : Mécanismes moléculaires impliqués dans la spécialisation des pucerons à leurs hôtes
Programme : JCJC - SVSE 7 - Biodiversité, évolution, écologie et agronomie (JCJC SVSE 7)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Akiko SUGIO (Institut national de la recherche agronomique - Centre de RENNES)
Partenaires : Institut de Génétique Environnement et Protection des Plantes
Montant : 270000.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Mécanismes moléculaires impliqués dans la spécialisation des pucerons à leurs plantes-hôtesComprendre les interactions moléculaires entre les insectes et les plantes pour contribuer au développement de stratégies de lutte efficaces, durables et respectueuses de l’environnement
Quels sont les mécanismes moléculaires qui régissent l'adaptation des insectes aux plantes hôtes?Les pucerons sont des ravageurs de nombreuses cultures. Ils induisent des dégâts aux plantes en prélevant la sève, en injectant de la salive toxique et en transmettant des virus phytopathogènes. La plupart de pucerons sont spécialisés sur quelques espèces de plantes et ne peuvent pas se nourrir d'autres. La connaissance détaillée des mécanismes d'adaptation des pucerons aux plantes hôtes est nécessaire pour développer de nouvelles stratégies pour protéger les cultures efficacement tout en réduisant l’utilisation des pesticides.
Analyse des protéines salivaires et du rôle des symbiontes bactériens dans la spécialisation des pucerons aux plantes.Nous émettons l'hypothèse que les protéines sécrétées dans la salive des pucerons et les symbiotes bactériens sont impliqués dans la spécialisation des pucerons sur des plantes hôtes spécifiques. Nous examinons les séquences génomiques de populations de pucerons qui différent par la plante-hôte sur laquelle ils sont adaptés, pour identifier les gènes salivaires qui montrent des variations de séquences entre populations spécialisées. Nous manipulons également la composition de symbiotes et nous évaluons leurs contributions à l'adaptation des plantes par des expériences biologiques.
Résumé de la soumission : Les pucerons sont des insectes qui se nourrissent du phloème des plantes et transmettent à ces dernières de nombreux pathogènes, étant ainsi responsables de dégâts considérables sur les cultures. Le puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) forme un complexe de races d’hôtes, chacune spécialisée sur une ou quelques espèces botaniques et incapable de se nourrir efficacement sur d’autres légumineuses. Cependant, les mécanismes moléculaires responsables de la spécialisation des  pucerons sur certaines espèces végétales ne sont pas encore compris. Les pucerons possèdent des pièces buccales particulières formées de stylets qui peuvent traverser les tissus végétaux, atteindre le phloème et absorber les nutriments de la plante. Durant ce processus d’alimentation, ces insectes injectent dans la plante de la salive, laquelle contient de nombreuses protéines qui pourraient interagir avec des protéines végétales. En effet, il a été montré que certaines protéines salivaires favorisent la colonisation des pucerons alors que d'autres stimuleraient les défenses des plantes. Par ailleurs, les pucerons établissent des associations obligatoires ou facultatives avec des bactéries symbiotiques qui peuvent également être impliquées dans les interactions plantes-insectes. Ainsi, Regiella, l’un des  symbiotes facultatifs du puceron du pois, est connu pour accroître les performances des pucerons qui possèdent cette bactérie, sur le trèfle. Ce projet vise à étudier le rôle des protéines de la salive des pucerons et de leurs symbiotes dans la spécialisation et l'adaptation à la plante hôte. En nous inspirant des mécanismes moléculaires régissant les interactions plantes-microorganismes, nous émettons l'hypothèse que les protéines de la salive des pucerons fonctionnent comme des effecteurs pathogènes microbiens (facteurs de virulence et d'avirulence). Ainsi, nous nous attendons à ce que les protéines de la salive qui sont impliquées dans le processus d’adaptation à l'hôte soient soumises à de fortes pressions évolutives et montrent des polymorphismes ou/et des variations d'expression spécifiques des races du puceron du pois. En outre, nous faisons l'hypothèse que la présence de Regiella influe sur la composition ou les profils d'expression des protéines de la salive des pucerons et modifie l’interaction avec les plantes. Dans ce projet de recherche fondamentale, nous proposons d’intégrer les données de transcriptomique et de reséquençage de génomes obtenues pour les différentes races d’hôtes du puceron du pois pour identifier les gènes salivaires potentiellement impliqués dans les processus d'adaptation à la plante hôte. Pour étudier le rôle des gènes salivaires candidats dans les interactions entre les plantes et les pucerons, des méthodes d’interférence des ARNs chez le puceron et d’expression transitoire chez les plantes hôtes seront utilisées. De plus, pour comprendre les effets des symbiotes facultatifs sur la spécialisation alimentaire des pucerons, nous étudierons l’influence de différentes souches de Regiella sur l'adaptation du puceron au trèfle. Nous conduirons une analyse transcriptionnelle et protéomique de la salive des pucerons du pois avec et sans Regiella pour identifier les facteurs responsables de l’augmentation des performances des pucerons sur le trèfle. Le projet fera progresser nos connaissances sur le rôle des protéines de la salive de pucerons et de leurs symbiotes dans le processus de spécialisation. De plus, le projet sera la première étape pour développer des stratégies efficaces et durables de lutte contre les pucerons ravageurs des cultures.
Résultats : Nous avons examiné un grand jeu de données de séquences génomiques obtenues sur différentes populations spécialisées vis-à-vis de la plante et identifié parmi les gènes qui codent pour les protéines salivaires, ceux qui montrent des variations de séquences associées à la spécialisation alimentaire. En outre, nous avons constaté que certains gènes salivaires peuvent produire plusieurs protéines avec des séquences différentes. Les fonctions de ces gènes salivaires sont actuellement examinées.
Nous avons éliminé les symbiotes bactériens qui sont fréquemment associés aux pucerons qui se nourrirent de trèfle et nous avons comparé les lignées de pucerons avec ou sans symbiote afin de tester si les symbiotes modifient les performances des pucerons sur le trèfle. Nous n’avons pas observé d'effets significatifs des symbiotes, mais prévoyons d’analyser plus de lignées de pucerons afin d’explorer davantage de conditions dans lesquelles les symbiotes pourraient être bénéfiques à l’alimentation des pucerons..
Enfin, pour examiner les activités des protéines dérivées des pucerons ou des symbiotes dans les plantes, nous avons mis au point une méthode pour exprimer transitoirement des protéines de pucerons/symbiotes.
Perspectives : Les connaissances acquises sur les fonctions des protéines salivaires des pucerons nous aideront à identifier les facteurs des plantes qui sont ciblés par ces protéines. Cela nous permettra de développer ou sélectionner les plantes les moins sensibles aux pucerons. Les connaissances sur les interactions plantes-pucerons-symbiotes peuvent être utilisées pour élaborer des stratégies biologiques de lutte contre les pucerons dans les champs. Les connaissances créées par ce projet contribueront à protéger la production agricole en réduisant l'utilisation de pesticides.
Publications et brevets : Nous avons publié deux articles de synthèse: l’un se concentre sur la génomique des interactions plantes-insectes (1) et l’autre fait le point des connaissances accumulées sur les interactions plantes-insectes-microbes (2). Nous avons également présenté notre travail à deux conférences internationales et huit réunions nationales.
1.	Simon JC, d'Alençon E, Guy E, Jacquin-Joly E, Jaquiéry J, Nouhaud P, Peccoud J, Sugio A, Streiff R.(2015) Genomics of adaptation to host-plants in herbivorous insects. Brief Funct Genomics. pii: elv015. [Epub ahead of print]
2.	Sugio A, Dubreuil G, Giron D, Simon JC. (2015) Plant-insect interactions under bacterial influence: Ecological imprications and underlying mechanisms . J. Exp. Bot. 66, 467-478