Projet ANR-13-KBBE-0006 – COBRA : A COmbination of systems Biology and experimental high-throughput approaches to engIneer durable Resistance against plAnt viruses in crops
Programme : Food & Feed: crop yiels and nutrition security in the context of clinate change (PLANT-KBBE)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Véronique DECROOCQ (UMR 1332 Biologie et Pathologie du Fruit)
Partenaires : Abiopep S.L. Abiopep S.L.; Université de Bordeaux; CEP INNOVATION; Biologie du Fruit et Pathologie; Génétique et Amélioration des Fruits et Légumes
Montant : 406058.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 36 mois
Résumé : Biologie des systèmes et approches à haut débit pour la mise en place de résistances durables aux viroses des plantes cultivéesLes viroses de plantes causent des dégâts considérables, à la fois qualitatifs et quantitatifs, sur les plantes cultivées ; leur coût mondial est estimé à 50 milliards d’euros. La solution la plus sûre de lutte est le déploiement de variétés résistantes. Le but de COBRA est donc d’intensifier les recherches appliquée et fondamentale concernant les interactions plantes/virus, afin de diversifier les gènes cibles qui pourront être pyramidés et seront mieux adaptés aux contraintes de production.
COBRA vise à diversifier les gènes de résistance aux virus, permettant ainsi la sélection de cultivars qui combineront plusieurs mécanismes de résistance et assureront une protection optimale.Dans COBRA, nous nous proposons de développer de nouvelles stratégies basées sur des gènes de sensibilité aux virus de plantes autres que les facteurs d’initiation de la traduction. Ceci implique l’identification de nouveaux facteurs de la plantes hôtes indispensables aux virus (gènes de sensibilité) et la recherche à haut débit de variants afin d’identifier des allèles de résistance. Ces variants serviront ensuite dans des approches de pyramidage, en combinaison avec d’autres gènes déjà identifiés mais très vite contournés en plein champ, afin de mettre en place une résistance durable aux viroses. COBRA se focalise sur trois espèces majeures cultivées : orge, tomate et fruits à noyaux (pêcher, abricotier et amandier).
Génomique, bio-informatique, génétique des populations, biologie moléculaire, virologie et sélection végétaleCOBRA est construit autour de 5 volets transdisciplinaires et complémentaires. Dans le premier volet, les bio-informaticiens du consortium, épaulés d’un représentant de chaque partenaire de COBRA, élaborent une base de données des facteurs de la plante hôte induits ou interagissant avec les virus. Le but est ici de construire des réseaux de gènes indispensables aux virus, ceci nous permettra d’identifier in silico de nouveaux candidats pour les stratégies de résistance aux virus de plantes cultivées. Dans le volet 2, des approches de biochimie, génétique et virologie sont utilisées afin de mettre en évidence de nouveaux facteurs de la plante hôte interagissant avec les particules virales et/ou déterminants pour des étapes clefs du cycle infectieux. Nous utilisons dans ce cas la plante modèle Arabidopsis thaliana et tout nouveau gène de sensibilité identifié est transféré vers les espèces cultivées dans le cadre du volet 3 de COBRA. Le transfert est réalisé par la recherche de formes mutées de ces nouveaux gènes de sensibilité par TILLING, EcoTILLING et génétique d’association, à la fois chez l’orge, la tomate et les arbres fruitiers à noyaux. Dans le quatrième volet de COBRA, nous nous proposons d’affiner nos connaissances pour deux candidats précis, CSN5 et cPGK2, afin d’optimiser leur utilisation future comme nouveaux mécanismes de résistance aux virus. Ces deux gènes ont été validés comme gènes de sensibilité mais leur forme mutée induisant une extinction du gène n’est pas utilisable en sélection car délétère. Le but est donc de préciser quel domaine de la protéine hôte interagit avec le virus et s’il peut être découplé des autres domaines indispensables au développement normal. Le cinquième volet vise à rassembler les gènes candidats identifiés précédemment, de vérifier la stabilité et la durabilité de la résistance induite par mutation et de tester des stratégies de pyramidage afin de mettre en place une résistance plus durable aux viroses.
Résumé de la soumission : Plant viruses cause an estimated 50 billion € loss worldwide per year. Viral diseases represent one ofthe most limiting factors in European crop production having negative effects on the quantity and qualityof foodstuffs. The scope of COBRA is to intensify applied and fundamental research on plant/virusinteractions in order to diversify targets for resistance gene pyramiding strategies and to match theresearch outputs with industry and breeding applications. COBRA benefits from multidisciplinaryresearch teams involving genomics, bio-informatics, population genetics, molecular biology, virology andplant breeding. It focuses on three major crops, barley, tomato and stone fruit trees. The originality ofCOBRA is to test the generic mode of interference of plant viruses, from annual plants to perennials,from dicotyledons to monocotyledons in order to implement complex and durable resistance.COBRA is built on five transdisciplinary workpackages (WPs). The objective of WP1 is to build anexhaustive and comprehensive database of plant-virus interaction networks for the three crops ofinterest. Such a database facilitates identification of new host susceptibility genes (S-genes) that couldserve as resistance genes when mutated. In WP2, the biological relevance of some of the interactorsunraveled in WP1 or by COBRA partners will be validated, demonstrating that they are not onlyplant/virus interacting factors but they are susceptibility factors encoded by bona fide S-genes. The goalof WP3 is to screen for alleles of resistance for the S-genes identified above. Alleles of resistance toviral infection will be searched among mutagenised tomato, barley and peach collections. Germplasmcollections of those three species will also be surveyed as well as core collections representative of theirdiversity in order to implement marker assisted selection and association studies for resistance to cropviruses. Any valuable plant material will be immediately transferred to crop breeding programs. In year1, COBRA focuses on the search for variants of strong candidate S-genes already validated or patentedby the project’s partners. The high throughput platforms set-up for the few above candidates will thenserve to screen for variants of candidates validated in WP2 (year 2) before targeting hundreds ofcandidates highlighted in WP1 (year 3). In the fourth WP, we plan to decipher two independent hostpathways that poty and potexviruses are hijacking in order to complete their viral infectious cycles. Extrabiological information will be generated in order to optimize in WP3 the search for virus resistantvariants. Finally, WP5 is aimed at selecting among the above interactors, host proteins ascandidates-of-choice for gene pyramiding. The purpose here is to provide knowledge on the viralfactor(s) that determine(s) the breaking of the resistance provided by candidate genes identified in theabove WPs and to evaluate the durability of the resistance.
Résultats : La banque de données créée dans COBRA regroupe des données obtenues par diverses approches (transcriptomique, protéomique, interactomique, génétique…) et donné accès à une liste de gènes impliqués dans les interactions plantes-virus. En parallèle, de nouveaux candidats identifiés en double hybride ou en génétique directe sont en cours de validation fonctionnelle via l’analyse des mutants KO correspondants. Deux gènes de sensibilité avaient été identifiés au démarrage de COBRA, cPGK2 et CSN5. Cependant l’utilisation directe de ces gènes pour la résistance est limitée car la viabilité et/ou le développement des mutants KO correspondants sont fortement altérés. Des efforts sont menés pour rechercher des formes mutées de ces facteurs non utilisables par le virus mais fonctionnelles pour la plante. Des expériences de complémentation des mutants KO par une banque de mutants ponctuels de CSN5 ou cPGK sont en cours : les lignées transgéniques présentant un développement normal sont recherchées et sont testées pour leur sensibilité aux potyvirus. En parallèle, des interacteurs viraux potentiels sont recherchés pour cPGK2 et CSN5 en système double hybride et par pull-down. Les facteurs de sensibilité identifiés dans un pathosystème donné étant transférables à des espèces cultivées, la recherche de formes mutées des facteurs CSN5, CPGK2 et PDIL est réalisée dans les espèces fruitières, la tomate et l’orge. Chez les prunus, des séries alléliques pour ces trois gènes ont été identifiées par EcoTilling et les tests de résistance à la sharka sont en cours. La même approche est menée pour CSN5 chez des mutants Tilling tomate. Trois lignées mutantes Microtom ont été auto-fécondées pour obtenir des homozygotes. Chez l’une de ces lignées, une mutation à l’origine d’un codon STOP entraine l’arrêt prématuré de la traduction et donc l’obtention d’une protéine tronquée. Ces lignées sont actuellement testées pour leur résistance au PepMoV et à d’autres virus infectant la variété Microtom.
Perspectives : L’utilisation de gènes de résistance est limitée par l’émergence de populations virales capables de les contourner. En particulier, les gènes de résistance récessive codent pour des facteurs cruciaux pour l’établissement du cycle viral. Des mutations dans ces facteurs sont la source de résistances chez de nombreuses plantes d’intérêt agronomique, mais peuvent être déjouées par les virus, après acquisition de mutations dans des protéines virales, permettant de rétablir une interaction compatible avec les formes mutées ou d’interagir avec d’autres facteurs de plante. Dans ce contexte, il est souhaitable d’identifier des gènes codant pour des facteurs de l’hôte qui jouent un rôle clef dans différentes étapes du cycle viral. L'association de ces nouveaux gènes de résistance aux allèles de résistance de facteurs déjà connus tels qu’eIF4E, est susceptible de présenter une meilleure efficacité et une meilleure durabilité, le virus ayant plus de difficultés à s’accommoder d’un contexte de résistance polygénique. Les travaux à venir dans COBRA visent à évaluer la durabilité des nouveaux gènes de résistance récessive identifiés en première année, seuls ou en combinaison, pour choisir les candidats à transférer vers les plantes cultivées, sur la base de la durabilité et de la stabilité de la résistance qu’ils procurent.
Publications et brevets : Communications (posters):
Arnoux X., Delmas F., German S., Walter J., Michon T. and Decroocq V. Targeting CSN5 domains to promote resistance to Plum Pox Virus in Arabidopsis thaliana. Rencontres de Virologie Végétale, Aussois, Janv 2014.
Tricon D., Faivre d’Arcier J., Eyquard J-P., Decroocq V. Search for natural variants of resistance genes to Sharka disease in Prunus species. Rencontres de Virologie Végétale, Aussois, Janv 2014.