Une stratégie de bio-ingénierie pour la protection contre les agents pathogènes des plantes pourrait contribuer à soutenir la sécurité alimentaire mondiale

En modifiant un récepteur immunitaire intracellulaire (NLR) végétal, des chercheurs ont développé une nouvelle stratégie potentielle de résistance à la pyriculariose du riz, l’une des maladies les plus importantes qui menacent la sécurité alimentaire mondiale. L’équipe collaborative du Royaume-Uni et du Japon a récemment publié ses recherches dans Actes de l’Académie nationale des sciencesCela pourrait avoir des conséquences sur les approches futures en matière de protection des cultures et, à terme, sur la stabilité de l’approvisionnement alimentaire mondial.

L’étude a été menée par le département de biochimie et de métabolisme du centre John Innes, avec des partenaires du laboratoire Sainsbury de l’université d’East Anglia et de la division de génomique et de sélection du centre de recherche en biotechnologie d’Iwate, au Japon. Pour une partie essentielle de l’étude, les chercheurs ont travaillé avec le synchrotron national du Royaume-Uni, Diamond Light Source. Leur article, « Bioengineering a plant NLR immune receptor with a robust binding interface toward a conserved fungal pathogen effector », a été publié début juillet.

La pyriculariose du riz demeure l’une des maladies les plus récalcitrantes qui menacent la sécurité alimentaire mondiale. Cette maladie est causée par le champignon filamenteux Magnaporthe oryzae et est directement responsable de la perte de plus de 30 % des récoltes de riz chaque année. Ce pathogène peut également provoquer la pyriculariose sur d’autres cultures céréalières, notamment le blé et l’orge.

Les approches actuelles de déploiement de résistances durables aux maladies sur le terrain sont limitées par la vitesse à laquelle elles peuvent être identifiées dans la nature et par l’évolution des agents pathogènes des plantes, tels que le champignon responsable de la pyriculariose, qui parviennent à contourner ces nouvelles résistances. La bio-ingénierie des récepteurs immunitaires des plantes, tels que les NLR, est apparue comme une nouvelle voie pour générer de nouveaux traits de résistance aux maladies afin de contrer la menace croissante des agents pathogènes des plantes pour la sécurité alimentaire mondiale, qui peuvent potentiellement être développés à la demande.

Rafał Zdrzałek, l’auteur principal, explique : « Les agents pathogènes sécrètent des protéines appelées « effecteurs » dans les cellules hôtes pour manipuler le métabolisme des plantes et favoriser l’infection. Les plantes peuvent reconnaître ces effecteurs à l’aide de récepteurs immunitaires appelés NLR. Cependant, il n’est pas toujours facile de définir un récepteur reconnaissant naturellement un effecteur donné, et même si un tel récepteur existe, les effecteurs d’un agent pathogène peuvent muter et évoluer pour échapper à cette reconnaissance.

« Les interactions entre les effecteurs pathogènes et les récepteurs des plantes sont étudiées pour comprendre le modus operandi de chaque pathogène, mais nous permettent également de modifier les récepteurs naturels des plantes et de modifier leur spécificité de reconnaissance. »

Dans leur publication, les chercheurs se sont concentrés sur l’ingénierie d’un récepteur immunitaire NLR issu du riz pour se lier de manière robuste à une famille d’effecteurs plus large et conservée du pathogène du champignon blast.

Mark Banfield, l’auteur correspondant, ajoute : « En reconnaissant une famille d’effecteurs conservée, ce récepteur immunitaire modifié établit une preuve de principe pour la fourniture future d’une résistance robuste et plus durable à la pyriculariose dans l’agriculture. Il pourrait être plus difficile pour le pathogène d’évoluer pour échapper à la reconnaissance. Le concept de modification des récepteurs immunitaires hôte-cible pourrait également être applicable à d’autres maladies des plantes qui dépendent de la livraison d’effecteurs dans les cellules hôtes pour leurs propriétés pathogènes. »

En échangeant le domaine associé aux métaux lourds (HMA) du NLR Pikm-1 du riz avec celui de la protéine de riz OsHIPP43 (la cible naturelle de l’effecteur Pwl2), les chercheurs ont réussi à modifier le profil de réponse du récepteur pour reconnaître et répondre à Pwl2 et à la famille plus large d’effecteurs Pwl.

Les chercheurs ont recueilli des données de diffraction des rayons X sur la ligne de faisceau I04 du synchrotron national britannique, Diamond Light Source, pour étudier les détails de l’interaction entre ces deux protéines. La structure cristalline du complexe révèle une interface étendue entre Pwl2 et OsHIPP43.

Il est intéressant de noter que les chercheurs ont effectué des tests pour montrer que la nouvelle protéine chimérique pouvait reconnaître différents effecteurs Pwl in planta.

Pour explorer les limites de la protéine chimérique, ils ont généré une série de mutations ciblées dans Pwl2 en fonction de la structure cristalline et ont réalisé un nouveau test pour tester les spécificités de reconnaissance altérées. Dans de nombreux cas, la protéine a pu reconnaître l’effecteur, ce qui démontre la robustesse du système.

Les résultats de l’étude démontrent le potentiel de l’ingénierie NLR basée sur la cible hôte pour développer de nouveaux caractères de résistance qui pourraient être moins susceptibles d’être surmontés par l’évolution des agents pathogènes. Cette recherche pourrait avoir des implications de grande portée pour l’avenir de la protection des cultures et la stabilité de l’approvisionnement alimentaire mondial.