Equipe de Virologie végétale

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Responsable : Armelle Marais  (armelle.marais-colombel@inrae.fr)

Présentation et objectifs de recherche :

Les virus phytopathogènes sont des pathogènes obligatoires omniprésents et très divers qui peuvent gravement affecter les cultures et sont difficiles à contrôler. Ils sont également une composante sous-estimée des écosystèmes naturels et représentent la moitié des pathogènes végétaux émergents. L'équipe multidisciplinaire Virologie Végétale (Viro) rassemble des compétences en virologie végétale, génétique, biologie moléculaire et cellulaire, biochimie, métabolomique, métagénomique et bioinformatique. Dans une approche translationnelle, elle cherche à comprendre la diversité de ces agents pathogènes, les interactions entre ces agents et leurs hôtes végétaux et les bases génétiques de la réponse des plantes à ces agents dans un environnement multi stress pour répondre aux enjeux de la transition agro-écologique. Le projet de l’équipe aborde trois axes majeurs: (i) le développement et la mise en œuvre d’outils pour décrire et analyser la diversité virale (i) l’identification des mécanismes et facteurs contrôlant les interactions plantes-virus et (iii) l’exploration de la diversité génétique végétale pour rechercher les bases génétiques de la réponse aux virus dans des conditions de stress multiples. Chacun de ces axes présente des aspects cognitifs et applicatifs. Les applications concernent principalement le diagnostic viral et l'étiologie (axe 1) et le développement et l'utilisation de plantes résistantes et tolérantes (axes 2 et 3) dans le cadre de solutions agro-écologiques globales. Pour cela, l’équipe travaille en interaction étroite avec des acteurs majeurs des filières végétales (Arvalis, Limagrain, Syngenta…). L’équipe propose également les services de deux plateformes technologiques qui lui sont adossées « Indexage viral par séquençage » et « Vecteurs viraux ». Les trois axes sont interconnectés car la connaissance de la diversité virale est souvent un point d'entrée utile pour les études d'interaction et de bases génétiques plante-virus.

Thèmes de recherches :

1 - Analyse de la diversité virale à différentes échelles et applications en recherche translationnelle : écologie virale, étiologie, diagnostic, taxonomie

Contacts :
Thierry Candresse (thierry.candresse@inrae.fr) - Armelle Marais-Colombel (armelle.marais-colombel@inrae.fr)

Les virus sont sans aucun doute les agents biologiques les plus divers. Ils sont également individuellement très variables et leur mode de réplication leur confère un potentiel évolutif très élevé. Ces caractéristiques ont de nombreuses implications pratiques pour les efforts de lutte, depuis les difficultés rencontrées pour identifier et détecter les maladies virales jusqu’à l’instabilité de la résistance des hôtes. Notre équipe est activement engagée dans le domaine du diagnostic et de la caractérisation virale, avec un accent particulier sur l'utilisation des technologies de séquençage haut débit (HTS). Nous utilisons ces approches (i) pour la résolution de problèmes d'étiologie et leur application concrète au diagnostic virologique, (ii) pour répondre à des questionnements d’écologie virale sur le fonctionnement des populations virales.

Ces dernières années, nous avons en particulier contribué significativement à la caractérisation du virome de la vigne dans le cadre de projets collaboratifs avec l’interprofession. Cet effort a été prolongé par deux projets du PNDV (Plan National de Dépérissement du Vignoble) et étendu au mycovirome (virus des champignons) associé à la vigne. De la même façon, la caractérisation du virome des arbres fruitiers du genre Prunus au sein de collections de ressources génétiques a fait l’objet d’un doctorat dans le cadre du réseau de formation Européen Marie Curie InextVir. Ces travaux ont débouché sur la caractérisation de six nouveaux virus infectant les Prunus pour lesquels des tests de détection moléculaire ont été développés. Dans ce même objectif, la plateforme d'indexage viral par séquençage mise en place par l’équipe est ouverte à tous les acteurs du domaine phytosanitaire. Elle permet de soutenir des projets de collaboration portant sur de très nombreuses cultures. Ces actions débouchent sur la caractérisation des populations virales, sur l’identification et la caractérisation des agents responsables de maladies d’étiologie inconnue et sur le développement d’outils de diagnostic performants. Au fil des ans, ces activités de caractérisation de virus ont permis de constituer une collection d'isolats viraux de référence hébergés dans une serre de confinement de haut niveau. Cette collection a maintenant été intégrée dans le projet d'infrastructure EVA-Global (European Virus Archive) financé par l'UE, qui vise à augmenter le nombre et les normes de qualité des isolats viraux distribués. Ce savoir-faire a été récemment mobilisé pour contribuer au plan national de recherche et d'innovation (PNRI) sur les viroses de la betterave afin de réduire la dépendance des cultures aux insecticides utilisés pour contrôler les pucerons vecteurs des virus des jaunisses.

Au-delà de la plante individuelle, les approches HTS s’appliquent aussi à des populations de plantes, permettant alors d'identifier tous les virus des plantes dans un environnement donné, avec des retombées dans le domaine de l'écologie virale. Nos efforts en matière de métagénomique virale sont menés dans deux directions. La première est méthodologique et a abouti, par exemple, au développement du pipeline VirAnnot permettant pour la première fois d’estimer de façon reproductible la richesse spécifique d'un virome. La seconde porte sur la description et la comparaison des phytoviromes dans différents environnements et, vise à comprendre les facteurs structurant les populations de virus phytopathogènes (dans le temps ou dans l’espace) ou à identifier les flux de virus entre compartiments sauvages et cultivés des agroécosystèmes. Des travaux récents menés lors d’un doctorat dans le cadre du réseau de formation Européen Marie Curie InextVir sur le pathosystème carotte cultivée/carotte sauvage ont permis de mieux comprendre les viromes contrastés qui peuvent s'assembler chez des plantes étroitement apparentées et fournissent une base pour des recherches plus approfondies sur les barrières biologiques et écologiques limitant les mouvements des virus à l'interface agro-écologique. Cette thématique de recherche est également poursuivie dans le cadre d’un projet ANR Phytovirus (coordination P. Roumagnac CIRAD Montpellier) qui cherche à répondre à des questions fondamentales telles que la relation entre la diversité des hôtes et la diversité virale ou la contribution de « la libération de l'ennemi viral » au succès des espèces végétales envahissantes.

Le projet PPR Deep Impact (Programme Prioritaire de Recherche, coordination C. Mougel INRAE Rennes) vise à concevoir une nouvelle génération de solutions agroécologiques permettant d’accroître la résistance des plantes aux stress biotiques, dans un souci de respect de l’environnement. En combinant diverses approches, l’objectif du projet est d'explorer la contribution du microbiome du colza et du blé à la santé de ces cultures dans l'optique de réduire la dépendance aux pesticides. Dans ce contexte, notre équipe est en charge de la caractérisation de la composante virome du microbiome de ces deux cultures. Nos recherches en métagénomique virale visant à mieux comprendre la diversité et le fonctionnement des populations de phytovirus ont vocation à s’intensifier dans l’avenir, notamment du fait de la recrudescence des viroses transmises par pucerons en grandes cultures, suite à l’interdiction des insecticides néonicotinoïdes et de l’impact positif du changement climatique sur les populations d’insectes vecteurs. Notre objectif est de pouvoir répondre à des questionnements sur la circulation des virus entre culture et réservoirs, la dynamique des virus dans les populations de vecteurs, la capacité des virus à évoluer vers des résistances végétales déployées, ou des effets non intentionnels de nouvelles pratiques agricoles sur les populations virales.

2 - Bases moléculaires des interactions plantes-virus et de l'adaptation virale

• Pour envahir les plantes, les virus des plantes détournent les fonctions cellulaires de l'hôte à leur profit.
  L'achèvement du cycle viral résulte d'une interaction complexe entre les facteurs codés par le virus et ceux codés par l'hôte, également appelés facteurs de sensibilité. Dans ce schéma, l'absence ou l'inadéquation d'un seul facteur de sensibilité conduit à une résistance totale ou partielle aux virus.

Études fonctionnelles visant à identifier les facteurs de sensibilité impliqués dans la propagation des virus des plantes.
Contacts : Sylvie German-Retana (sylvie.german-retana@inrae.fr) & Nathalie Arvy (nathalie.arvy@inrae.fr)

Les cellules de plantes communiquent entre elles grâce à des canaux traversant la paroi, nommés plasmodesmes (PD). Les phytovirus exploitent les PDs pour leur mouvement intercellulaire et se propager dans la plante entière. Dans le cadre du projet ANR-PotyMove (ANR-16 CE20-0008-01, 2016-2023) nous avons identifié et validé deux nouveaux facteurs de plante impliqués dans la propagation des potyvirus : la protéine Rémorine, associée à des domaines membranaires particuliers appelés radeaux lipidiques et également aux plasmodesmes (collaboration avec S. Mongrand, CNRS, Laboratoire de Biogenèse membranaire, LBM-Bordeaux) et AtHVA22a (l’holomogue chez Arabidopsis de la protéine Hordeum vulgare abscisic acid responsive gene 22) qui est partiellement associée aux plasmodesmes et semble faire partie d'un réseau plus large de protéines capables de modifier des structures spécifiques dans le réticulum endoplasmique de la cellule végétale. Le transfert de ces résultats à la tomate est toujours en cours (Collaboration avec Jean-Luc Gallois, INRAE, GAFL-Avignon).

Le projet ANR-LiDroVir (ANR-23-CE20-0026-01, 2024-2028), vise à étudier le rôle des gouttelettes lipidiques (GL) dans le cycle des potyvirus en collaboration avec les équipes de Claire Bréhélin (CNRS, LBM-Bordeaux) et de Jean-Luc Gallois (INRAE, GAFL-Avignon). En plus d’être impliquées dans le métabolisme lipidique cellulaire et la réponse aux stress environnementaux, il a été démontré chez les cellules animales, que ces GL sont détournées par des virus à ARN (+) pour permettre/favoriser leur réplication et/ou encapsidation au niveau des compartiments de réplication virale (CRV). Cela soulève alors la question du rôle de ces GL dans le cycle des virus de plantes et, en effet, nos résultats récents et non publiés montrent que (i) un phytovirus à ARN (+) induit une accumulation significative de lipides neutres et une augmentation considérable du nombre des GL, (ii) ces GL sont relocalisées au niveau des CRV dans les feuilles infectées, et (iii) la propagation du phytovirus est modifiée dans des plantes mutées pour des gènes impliqués dans la synthèse des GL. Le projet LidroVir a pour objectif de mettre en évidence de nouveaux acteurs potentiels du cycle des potyvirus et de chercher d’autres cibles originales de résistance. Il est intéressant de noter que chez les animaux, des homologues d'AtHVA22 régulent le métabolisme des lipides en interagissant avec une protéine structurelle des LD. Le projet LiDroVir pourrait permettre de replacer d'autres candidats identifiés dans Potymove (outre AtHVA22a) dans un réseau de protéines végétales impliquées dans les GL et cruciales pour la réplication et le mouvement des potyvirus.

• Modulation de la structure-fonction des protéines virales : Exploration des mécanismes d'adaptation

Contacts : Guillaume Lafforgue (guillaume.lafforgue@inrae.fr) - Thierry Michon (thierry.michon@inrae.fr)

La fréquence de mutations élevée des virus stimule leur potentiel d'évolution et compromet la durabilité de la résistance de l'hôte. Certaines protéines virales possèdent des régions dites intrinsèquement désordonnées (IDR) qui n'ont pas de structure stable mais qui remplissent néanmoins d'importantes fonctions dans le cycle infectieux du virus. Notre hypothèse est que ces IDRs structuralement peu contraintes ont une robustesse mutationnelle ce qui faciliterait l'adaptation du virus à son hôte.  En combinant des approches d’évolution expérimentale dans les plantes et des méthodes biochimiques, nous avons évalué la contribution des IDRs au contournement de la résistance de l'hôte. Nos données expérimentales, obtenues in vivo, permettent pour la première fois, d’étayer l'hypothèse selon laquelle les IDRs peuvent moduler directement l'adaptabilité des virus. Dans le cadre du projet ANR ID4VISA21, nous explorons actuellement d’une part, la contribution des IDRs du protéome des potyvirus à l’adaptation à l’hôte et d’autre part, les corrélations éventuelles entre IDR et la taille de la gamme d’hôte par des approches in silico.

• Interactions moléculaires entre les lutéovirus et les plantes

Contacts : Syed S. Zaidi (syed.zaidi@inrae.fr) - Sylvaine Boissinot (sylvaine.boissinot@inrae.fr)

Les lutéovirus sont responsables de la maladie de la jaunisse des céréales et comptent parmi les agents pathogènes viraux les plus importants sur le plan économique dans le monde. Ils infectent les principales cultures vivrières, dont le blé, et provoquent des pertes de rendement substantielles pouvant atteindre 80 %. Les pucerons qui se nourrissent dans le  phloème agissent comme des vecteurs de lutéovirus. En l'absence de résistance naturelle à ces virus, la principale méthode de gestion de la maladie consiste à contrôler la population d'insectes vecteurs, principalement à l'aide de pesticides. Cependant, ces pesticides s'accumulent dans l'environnement, provoquent l’apparition d'insectes résistants aux pesticides, nuisent aux insectes utiles et présentent des risques potentiels pour la santé de l'homme et de la faune. Par conséquent, l’utilisation de ces pesticides à base de néonicotinoïdes est en train d'être interdite dans l'UE, ce qui crée un besoin urgent de solutions alternatives pour les agriculteurs.
L'équipe utilise l'interactomique à haut débit pour générer des cartes à l’échelle topologique, d’interactions entre la plante et le virus. En se concentrant sur deux virus responsables de la jaunisse nanisante de l'orge, le BYDV (virus de la jaunisse nanisante de l’orge)-PAV et le BYDV-PAS dans les cultures céréalières, notre équipe explore la formation des compartiments de réplication virale et le rôle des lipides dans l'infection par le BYDV. L'objectif final est de développer des stratégies de résistance plus écologiques contre le BYDV, ce qui réduirait considérablement la dépendance aux pesticides et contribuerait à des pratiques agricoles durables. L'équipe combine des techniques avancées telles que le marquage de proximité, la microscopie corrélative, la protéomique et l'édition du génome, ce qui promet d'apporter des connaissances et des innovations déterminantes en biologie végétale.

 Objectif : Le phloème est un tissu végétal profondément enfoui qui sert d'autoroute pour le transport des nutriments. Le BYDV est un agent pathogène limité au phloème, qui a évolué pour exploiter cet environnement protégé et riche en nutriments. On sait peu de choses sur les interactions moléculaires hôte-pathogène qui conduisent à la restriction au phloème, à la réorganisation de la membrane des organelles et au mouvement sélectif à travers différents types de plasmodesmes. Il est urgent de comprendre la pathogenèse du BYDV limitée au phloème pour élaborer des stratégies de résistance plus respectueuses de l'environnement. L'objectif principal de l’équipe est donc d’aboutir à une meilleure compréhension de la pathogenèse restreinte au phloème en identifiant notamment les protéines de l’hôte impliquées dans ce mécanisme. Les gènes codant certaines de ces protéines devraient être des facteurs de sensibilité et donc des sources potentielles de résistance.

Équipements : Notre équipe dispose d’équipements de pointe, notamment un microscope confocal pour l'imagerie cellulaire et la chromatographie liquide à ultra-haute performance-spectrométrie de masse (UHPLC-MS) pour la protéomique à haut débit. Nous utilisons également des techniques d'extinction de gène induite par des virus (VIGS) et des techniques spécifiques d'inoculation de virus par des pucerons pour des recherches ciblées sur les monocotylédones.
Partenariat scientifique : Compte tenu de la nature interdisciplinaire de notre projet, nous travaillons en étroite collaboration avec des laboratoires nationaux et internationaux de premier plan. Ces partenariats renforcent nos capacités de recherche et élargissent l'impact de nos travaux en virologie végétale.

Collaboration avec l'industrie : Conscients des enjeux socio-économiques importants de nos recherches, nous entretenons des collaborations actives avec des partenaires industriels. Nos contributions sont particulièrement notables dans les domaines de la découverte de gènes de résistance et de la quantification de la réponse virale dans la plante hôte, offrant ainsi des connaissances et des services précieux au secteur agricole.

A) Transformation de protoplastes de blé et confirmation de l’expression du transgène : l’expression de la protéine fluorescente GFP sous la dépendance du promoteur pZmUBI spécifique du blé est meilleure qu’avec le promoteur généraliste 35S.
B) Localisation subcellulaire de la protéine de mouvement (MP) du BYDV : BYDV-MP fusionnée à la protéine fluorescente YFP colocalise avec l’aniline blue, marqueurs spécifique des plasmodesmes (flèches blanches).
C) Variétés de blé en culture à notre insectarium pour le phénotypage BYDV
D) Jaunissement des feuilles – symptômes caractéristiques du BYDV sur les feuilles de blé
E) Insectarium où des pucerons sains ou virulifères (porteurs de BYDV) sont maintenus en production. Le puceron virulifère Rhopalosiphum padi est utilisé pour inoculer le virus dans différentes plantes hôtes, blé, orge, avoine.
F) Une colonie de pucerons sur un plan d’orge.

3 - Génétique de la tolérance des plantes aux virus en conditions multi-stress

Contact : Valérie Schurdi-Levraud (valerie.schurdi-levraud@inrae.fr - valerie.schurdi-levraud@u-bordeaux.fr)

L'infection virale est l'une des menaces biotiques les plus alarmantes dans les agrosystèmes en raison de l'impact du changement climatique sur la distribution spatiale et temporelle des vecteurs et des virus. Les changements mondiaux, et en particulier l'augmentation de la fréquence des périodes de haute température et de sécheresse, devraient ainsi favoriser la redistribution de nombreux agents pathogènes des plantes et l'émergence de nouveaux agents pathogènes / souches. Par ailleurs, l’effet de la chaleur et/ou de la sécheresse sur la robustesse des résistances mais également sur les réponses de défense et les éléments de signalisation produits par la plante lors d’une infection virale est mal connue.
Dans ce contexte, la compréhension de la réponse des plantes à l'infection virale dans le cadre de contraintes abiotiques telles que l’élévation des températures et/ou la sécheresse revêt une grande importance pour trouver des solutions agricoles durables. Jusqu’à maintenant, pour répondre à la menace virale, sélectionner des variétés résistantes aux virus avait été considérée comme la meilleure réponse. Mais cette solution présente le désavantage de produire une pression de sélection sur les populations d’agents pathogènes, contribuant à son contournement. Elle est, par ailleurs, souvent associée à une pénalité du rendement lié au compromis entre résistance et croissance.
Dans l’objectif d’une agriculture durable et de la transition agroécologique, il faut donc reconsidérer la question des bases génétiques de la réponse aux virus dans le contexte de stress multiples et évaluer cette réponse en termes de tolérance, c’est-à-dire de compromis entre la réponse au stress et le maintien de la croissance. Il s’agit à terme de pouvoir proposer aux agriculteurs des variétés tolérantes intégrées dans une solution agroécologique globale.

Arabidopsis in the field !
Evaluation de la réponse d’une collection de génotypes d’Arabidopsis thaliana au virus de la mosaïque du navet en conditions de stress multiples au champ (photo B. Rubio) et recherche des bases génétiques de la réponse par GWAs (Manhattan plot de la charge virale)

Notre équipe s’appuie sur l’exploration de la diversité génétique chez Arabidopsis thaliana et Solanum pimpenillifolium. Par des approches de phénotypages multiples, score de maladie, charge virale, biomasse sèche, date de floraison, fitness, métabolisme ciblé et non ciblé, paramètres écophysiologiques…, de génétique quantitative et d’analyses pan génomique (GWAs), nous recherchons donc les bases génétiques et fonctionnelles de la réponse « tolérance ». Menée, d’abord, sur des collections mondiales et locales de génotypes d’A. thaliana en conditions extérieures (collaborations F. Roux INRAE LIPME Toulouse, J. Bergelson U. Chicago/ New York University, USA), cette étude a révélé une architecture génétique plus complexe qu’en conditions contrôlées. Nous avons pu mettre en évidence de nouveaux loci impliqués dans l'interaction. En collaboration avec l’équipe META de notre UMR, nous avons également montré que certains métabolites apparaissent comme marqueurs et prédicteurs de la réponse. Cette étude pionnière souligne l'intérêt d'analyser les interactions plantes-virus dans le contexte complexe de multi-stress auquel les plantes sont confrontées dans les éco et les agrosystèmes (Thèse B. Rubio, 2017).
Cette même question est maintenant posée dans le cadre du Grand Projet de Recherche Bordeaux Plant Science (BPS) financé par l’université de Bordeaux, France et de l’ANR GreenTolerance. Nos objets d’études sont S. pimpenillifolium en collaboration avec le LIPME, Toulouse, France et l’entreprise Syngenta France, et A. thaliana confrontés au CMV (virus de la mosaïque du concombre) dans des conditions de vagues de chaleur ou au TMV (virus de la mosaïque du tabac). L’accent est mis sur l’apport des métabolites comme marqueurs et prédicteurs de la réponse.