Propagation des maladies virales : le rôle clé des pucerons

Une meilleure compréhension des mécanismes de transmission des virus par leurs vecteurs ouvre la voie à de nouvelles stratégies de lutte.

L'agriculture est constamment sous la menace d'agressions fongiques, bactériennes ou virales. Dans le contexte du réchauffement climatique, de la mondialisation et des changements de pratiques culturales, l'émergence d'infections virales est, plus que jamais, une question d'actualité en agriculture.

Biologie des virus

Émergence : des causes multiples

Les viroses causent des pertes importantes sur de nombreuses cultures annuelles ou pérennes qui vont de dégâts légers, provoquant un faible impact sur les rendements agricoles, jusqu'à la perte totale des récoltes. Les dernières années ont vu apparaître en Europe de nouveaux virus et réapparaître des virus ayant été précédemment contrôlés par des mesures aujourd'hui interdites par la législation. Les causes de ces émergences sont de plusieurs ordres : d'une part, le réchauffement climatique dont l'impact principal est la nouvelle répartition d'arthropodes et des virus qu'ils transmettent et, d'autre part, la mondialisation et la mobilité internationale croissante qui augmentent les risques d'introduction accidentelle des virus ou de leurs vecteurs.

Enfin, les pratiques culturales évoluent également vers une agriculture plus respectueuse de l'environnement, ce qui entraîne une diminution, voire un abandon, de l'utilisation de pesticides, induisant ainsi une augmentation des populations d'insectes vecteurs. Dans ce contexte, l'interdiction récente de certains insecticides, tels les néonicotinoïdes, favorise la propagation des arthropodes et des virus qu'ils véhiculent. À titre d'exemple, sur la culture de la betterave, la présence de pucerons a été observée en 2020 dans tous les bassins betteraviers, ce qui a entraîné un développement de la jaunisse virale dans toutes les parcelles allant jusqu'à affecter plus de 80 % des plantes par parcelle(1). Cette épidémie virale a provoqué des pertes allant de 30 à 50 % sur la betterave sucrière en 2020(2).

Pouvoir pathogène des virus et difficultés à les combattre

Les virus sont des micro-organismes qui dépendent strictement de leur hôte pour se multiplier. Ils détournent ainsi certaines ressources de la plante-hôte au profit de leur multiplication, ce qui entraîne des dégâts « collatéraux » liés aux perturbations du métabolisme de la plante causées par l'infection. Des centaines, voire des milliers, de gènes peuvent être dérégulés suite à une infection virale et voient ainsi leur expression augmenter ou diminuer. Ces dérégulations provoquent, entre autres, l'apparition des symptômes (blanchiment, jaunissement, nécrose des feuilles, déformation des fruits, nanisme de la plante...) associés à l'affaiblissement, voire la mort, de la plante avec des conséquences sur le rendement et la qualité.

La difficulté à combattre les virus est liée à leur localisation intracellulaire (le traitement doit pénétrer dans les cellules pour atteindre le virus) et à leur dépendance vis-à-vis du métabolisme des plantes. Ainsi, tout traitement visant à perturber le métabolisme des plantes pour réduire l'infection virale a toutes les chances d'affecter la plante davantage que le virus.

À ce jour, il n'existe aucun traitement curatif des infections virales chez les plantes, ce qui signifie que, si les dégâts provoqués par les virus sont inacceptables économiquement pour l'agriculteur, son seul recours est la destruction d'une partie, ou de l'ensemble, du champ infecté. Des gènes de résistance aux virus ont cependant été identifiés chez un nombre d'espèces de plantes, mais l'adaptabilité très importante des virus à de nouveaux environnements conduit souvent à des contournements très rapides de ces résistances génétiques. Depuis peu, de nouvelles stratégies de lutte ont émergé, telles que la prémunition ou protection croisée (analogue à une « vaccination » des plantes avec un virus atténué), et l'emploi des biostimulants (substances fortifiant les défenses naturelles des plantes). La lutte directe contre les virus reste donc une méthode très peu déployée, et la stratégie principale pour contrôler les infections virales consiste à bloquer l'entrée du virus dans la plante, c'est-à-dire à bloquer la transmission des virus par leurs vecteurs.

Les vecteurs de virus : des insectes piqueurs-suceurs

La plupart des virus s'appuient sur un vecteur pour pénétrer dans les cellules de la plante et déclencher une infection. Un vecteur est un organisme mobile qui peut acquérir, transporter, puis inoculer un pathogène d'un hôte infecté vers un nouvel hôte. Pour les virus de plantes, les principaux vecteurs sont, en faisant abstraction des nématodes et de quelques champignons, majoritairement des arthropodes et en particulier des insectes piqueurs-suceurs tels que les pucerons, aleurodes, cicadelles et cochenilles.

Dans ce dossier, nous nous concentrerons sur les pucerons en raison de leur rôle prévalent dans la transmission des virus. Néanmoins, les concepts exposés dans cet article sur la transmission par puceron s'appliquent également aux autres insectes piqueurs-suceurs. La capacité des pucerons à transmettre les virus est liée à leur comportement d'alimentation spécifique. Contrairement aux insectes « broyeurs », comme les coléoptères et les lépidoptères qui consomment les tissus de la plante visitée, les pucerons « piqueurs-suceurs » se nourrissent exclusivement de la sève élaborée du phloème et n'entraînent pas la destruction des cellules végétales. Lors de la colonisation d'une nouvelle plante, les pucerons insèrent tout d'abord leurs stylets dans les cellules superficielles d'une feuille et y prélèvent un peu de contenu cellulaire, afin d'évaluer les propriétés gustatives de la plante. Si la plante est acceptée, les stylets progressent dans l'espace extracellulaire pour atteindre les tissus du phloème, et plus particulièrement les tubes criblés, dans lesquels chemine la sève. Les pucerons peuvent alors ingérer de la sève pendant plusieurs heures. La salive des pucerons contient des molécules qui vont contrecarrer les réactions de défense de la plante et ainsi empêcher l'occlusion des tubes criblés. Ce mode d'alimentation non destructif est très adapté à la transmission des virus, qui peuvent être acquis et inoculés au cours des piqûres d'essai, ou lors de la phase d'ingestion de sève.

La transmission comme cible de contrôle des infections virales

L'étape de la transmission des virus par pucerons constitue le talon d'Achille du cycle viral. Pendant cette étape, le virus est en dehors de sa plante-hôte et peut être ciblé via son vecteur pour bloquer sa dissémination vers de nouvelles plantes. L'emploi d'insecticides, qui réduit les populations de pucerons, a permis pendant de nombreuses années de limiter l'impact des infections virales sur les cultures. Néanmoins, cette stratégie rencontre certaines limites en raison de l'apparition de résistances des pucerons aux insecticides de synthèse, et d'une nouvelle vision de l'agriculture plus respectueuse de l'environnement et de la santé humaine, qui réduit ou bannit l'emploi des insecticides. Le défi pour l'agriculture de demain repose sur le développement de nouvelles stratégies de lutte. Parmi celles-ci, le blocage de la transmission des virus par le puceron pourrait être envisagé en ciblant les étapes d'acquisition et/ou d'inoculation du virus dans les plantes. Puisque les virus de plante sont transmis par pucerons selon des modes différents, il est nécessaire de connaître précisément les paramètres de la transmission et ses mécanismes moléculaires pour mettre en place ces nouvelles mesures.

Biologie de la transmission

Deux modes de transmission

Comme évoqué ci-dessus, les pucerons transmettent les virus lorsqu'ils passent d'une plante-hôte à une autre. Les pucerons acquièrent les virus dans les cellules d'une plante infectée et les inoculent dans les cellules ou les tubes criblés du phloème d'une autre plante sensible. Entre ces deux étapes, les virus sont retenus dans les pucerons selon deux modes de transmission qui dépendent du genre taxonomique auquel appartient le virus et non du vecteur (Figure 1).

Mode non persistant non circulant

Dans le premier mode appelé « transmission non persistante non circulante » (NP/NC), les virus se lient aux pièces buccales des pucerons au niveau des stylets ou un peu plus loin au niveau du précibarium, dans l'attente d'être inoculés à un nouvel hôte (Figure 1). L'acquisition de ces particules virales se fait, en quelques secondes, lors des piqûres d'essai des pucerons dans les cellules de l'épiderme ou du mésophylle (Figure 1). L'inoculation du virus s'effectue également en un temps très court (quelques secondes), dès que le puceron a inséré ses stylets dans le tissu végétal. La rétention des virus dans les stylets est fugace, et ils sont perdus quelques heures après l'acquisition. Étonnamment, certains virus réagissent à la piqûre des pucerons sur la plante infectée de manière à augmenter leur chance d'être acquis. C'est notamment le cas du virus de la mosaïque du navet (turnip mosaic virus, TuMV, genre Potyvirus) et du virus de la mosaïque du chou-fleur (cauliflower mosaic virus, CaMV, genre Caulimovirus) qui, au moment de la piqûre du puceron, s'organisent dans la cellule végétale en une forme qui s'attache très efficacement au niveau des stylets. Cette réaction remarquable du virus face au vecteur nécessite que le virus « perçoive », via les mécanismes de reconnaissance de la plante, la présence d'un puceron.

Mode persistant circulant

Le deuxième mode de transmission est dit « persistant circulant » (P/C). Dans ce mode, le virus est acquis lorsque les stylets du puceron atteignent les cellules du phloème d'où il ingère la sève (Figure 1). Une fois acquises, les particules virales cheminent dans le tube digestif, s'accrochent aux récepteurs intestinaux et traversent les cellules intestinales pour se retrouver dans l'hémolymphe (Figure 1). Le flux de l'hémolymphe transporte ensuite les particules virales vers les cellules des glandes salivaires qu'ils traversent pour s'accumuler dans la salive (Figure 1). Les virus sont finalement libérés dans une nouvelle plante avec la salive du puceron lors de son alimentation. Au cours de ce cheminement dans le corps du puceron, les virus ne se multiplient pas et le puceron joue uniquement le rôle de vecteur pour le virus. Cependant, il existe des exceptions, comme les virus de la famille des Rhabdoviridae qui se multiplient dans le puceron vecteur.

La transmission P/C possède des caractéristiques très différentes de la transmission NP/NC. L'acquisition et l'inoculation des virus requièrent plusieurs heures, car les pucerons doivent atteindre le phloème pour pouvoir efficacement ingérer, ou inoculer, le virus. La rétention des virus transmis selon le mode P/C varie de quelques semaines à toute la vie du vecteur. Les virus P/C les mieux étudiés font partie de la famille des Luteoviridae qui sont tous, à une exception près, transmis par pucerons. De nombreux virus de cette famille causent des dégâts importants sur des cultures variées, tels que le virus de l'enroulement de la pomme de terre (potato leafroll virus, PLRV), le virus de la jaunisse de navet (turnip yellows virus, TuYV), les virus de la jaunisse des céréales (barley yellow dwarf virus, BYDV ou cereal yellow dwarf virus, CYDV) ou encore le complexe des virus de la jaunisse de la betterave (beet chlorosis virus, BChV et beet mild yellowing virus, BMYV).

Spécificité de la transmission

Une autre différence majeure entre les virus transmis selon le mode NP/NC ou P/C est leur spécificité vectrice, c'est-à-dire le nombre d'espèces de pucerons qui transmettent un virus donné. La gamme de vecteurs est très large pour les virus NP/NC (par exemple, près d'une centaine d'espèces de pucerons transmettent le TuMV) et réduite pour les virus P/C (par exemple, seules quelques espèces transmettent les virus de la famille des Luteoviridae). Ceci s'explique par les différences au niveau des interactions entre les virus et le vecteur. Un nombre plus important d'interactions s'établissent entre les virus P/C et le puceron, puisque, lors de leur trajet dans le puceron, les particules virales traversent plusieurs barrières (au niveau de l'intestin et des glandes salivaires). Chaque franchissement de barrière repose sur un système de reconnaissance des particules virales via des interactions moléculaires spécifiques entre le virus et des récepteurs au niveau des différents organes du puceron. À l'inverse, le niveau des interactions entre les virus NP/NC et leurs vecteurs est plus faible. En effet, un seul site de rétention suffit pour accrocher et décrocher les virus NP/NC des pièces buccales d'un vecteur. Les contraintes permettant la transmission des virus NP/NC sont donc moins importantes. Par ailleurs, il est intéressant de signaler qu'une même espèce de vecteur peut transmettre à la fois des virus NP/CP et P/C. À ce titre, le puceron vert du pêcher peut acquérir et inoculer plus de 100 virus différents selon les modes de transmission NP/CP ou P/C.

Les virus manipulent les plantes et les vecteurs

Interactions virus, vecteur et plante-hôte

La transmission des virus par puceron nécessite des interactions étroites entre les virus, les vecteurs et les plantes-hôtes. Un nombre croissant de publications montre que les virus sont capables d'induire dans les plantes infectées des changements métaboliques qui favorisent leur acquisition par les vecteurs. Ces modifications se traduisent par une extériorisation des symptômes (jaunissement foliaire par exemple) et par l'émission d'une quantité plus importante de volatiles qui, dans certains cas, rendent les plantes infectées plus attractives pour les pucerons que les plantes saines. L'infection peut également modifier la composition de la sève (acides aminés et sucres), ce qui va toucher le comportement alimentaire du puceron en réduisant, ou en augmentant, ses prises de nourriture. Ainsi, pour le virus de la mosaïque du concombre (cucumber mosaic virus, CMV, genre Bromovirus), de type NP/NC, l'infection virale rend les courgettes infectées plus attractives, mais moins appétentes et nutritives pour les pucerons. Les pucerons visitent donc plus souvent les plantes infectées mais les quittent rapidement, après avoir fait leurs premières piqûres d'essai. Ce comportement favorise ainsi la transmission du CMV qui, une fois acquis, doit être rapidement inoculé avant que les particules ne se décrochent de l'appareil buccal du puceron. L'infection par certains virus de type NP/NC, notamment le TuMV, augmente les performances des pucerons (fécondité, survie...), ce qui pourrait être un élément en faveur d'une dispersion accrue du virus. Lorsque les modifications induites dans la plante par l'infection virale sont favorables à la transmission du virus, on parle de « manipulation virale ».

La « manipulation virale »

Les modifications induites dans les plantes par les virus P/C sont très documentées et conduisent généralement à une attraction des pucerons vers les plantes infectées, combinée à une augmentation de la phase d'ingestion de sève. Ces virus étant acquis par les pucerons lors de leur alimentation phloémienne, ces modifications sont ainsi en faveur de la transmission des virus, ce qui renforce le concept de « manipulation virale ». De plus, il a été montré que les plantes infectées par les virus P/C augmentent la fécondité des pucerons, ce qui conduit à une population de pucerons virulifères (porteurs des virus) plus importante favorisant également la dispersion des virus.

La « manipulation virale » peut encore aller plus loin et toucher le comportement des pucerons virulifères en modifiant leur préférence. Ainsi, les plantes infectées par le virus de la jaunisse nanisante de l'orge (BYDV) sont plus attractives pour les pucerons non porteurs de virus, alors que les pucerons virulifères (ayant acquis le BYDV) à partir des plantes infectées ont une préférence pour les plantes saines. Cette inversion de préférence du puceron après acquisition du virus peut améliorer la dissémination virale.

Les mécanismes moléculaires à l'origine de ces effets de manipulation de la plante et du vecteur par le virus restent largement inconnus. Quelques protéines virales responsables des modifications de la plante et, de manière indirecte, du comportement du vecteur ont été identifiées pour certains virus, ainsi que les voies métaboliques de la plante affectées par l'infection. Les bases moléculaires de la modification du comportement du vecteur après acquisition du virus sont beaucoup plus hypothétiques mais pourraient reposer sur des composés viraux et/ou végétaux produits dans les plantes infectées (protéines, métabolites, petits ARN...), et acquis par les pucerons. Ces composés pourraient interagir avec le système sensoriel du puceron et ainsi induire les modifications de son comportement.

Conclusions et perspectives

La transmission des virus de plantes par puceron est un processus très complexe qui nécessite des interactions spécifiques entre le virus, son ou ses vecteurs, et la ou les plantes-hôtes. Les mécanismes de la transmission sont le résultat d'adaptations qui ont eu lieu au cours de l'évolution. La transmission repose sur une succession d'étapes et d'interactions moléculaires qui offrent de multiples points d'attaque pour contrecarrer l'acquisition et l'inoculation des virus dans un objectif de phytoprotection. Dans la perspective de s'affranchir de l'utilisation d'insecticides, des approches alternatives permettant de bloquer l'acquisition des virus pourraient être déployées. Il s'agirait par exemple de sélectionner des variétés de plante moins attractives pour les vecteurs. Si de telles variétés ne sont pas disponibles, il serait envisageable, par un traitement exogène, de bloquer les voies métaboliques qui sont responsables de l'attraction des pucerons. Il serait également possible d'utiliser des plantes de service émettant des odeurs attractives pour les pucerons, ce qui les détournerait des plantes cultivées à protéger.

L'ingestion, par les pucerons, de molécules occupant les sites de rétention virale dans les vecteurs permettrait également d'inhiber l'acquisition des virus. Même s'il est probable qu'aucune de ces approches alternatives à elle seule ne s'avère aussi efficace que l'emploi des insecticides de synthèse, la combinaison de plusieurs de ces méthodes pourrait aboutir à une réduction des dégâts viraux jusqu'à un niveau acceptable pour les agriculteurs, selon la stratégie de « protection intégrée ».

(1) www.itbfr.org