Diversité, Evolution et Emergence des phytovirus à transmission vectorielle : La chronique des géminivirus

Les géminivirus sont responsables de nombreuses maladies émergentes sur les cultures maraîchères, vivrières et économiques. Elles sont particulièrement dommageables dans les régions tropicales où les populations dépendent étroitement de la production agricole pour leur alimentation et leurs revenus. Depuis la fin des années 80s, le continent Africain et sa population ont dû faire face à l’émergence de nombreuses épidémies virales sur des cultures vivrières comme le maïs avec le Maize streak virus (MSV) responsable de la striure du maïs, le manioc avec les Cassava mosaic geminiviruses (CMGs) responsable de la mosaïque du manioc (CMD), et enfin les Tomato (yellow) leaf curl virus (TYLCVs et ToLCVs) responsable de la maladie (du jaunissement et) de l’enroulement foliaire de la tomate (TYLCD). A partir de ces principaux modèles d’études de l’émergence virale, mon activité de recherche a premièrement consisté à étudier les étapes majeures de la transmission de ces virus par insecte vecteur, dont l’accessibilité du virus au moment de l’alimentation du vecteur, la capacité d’inoculation du virus dans une nouvelle plante et la persistance du virus dans le vecteur suite à une alimentation infectieuse. Les capacités d’acquisition et d’inoculation du virus ont été étudiées premièrement dans le cas de la transmission circulante du MSV par C. mbila. En utilisant un système d’électrophysiologie combinée à la microscopie électronique à transmission nous avons identifié les phases du cycle alimentaire les plus favorables à l’acquisition du virus sur une plante infectée avec l’ingestion active de fluide cellulaires non phloémiens et l’inoculation du virus dans une plante saine lors de l’étape de salivation dans le phloème. Nous nous sommes également intéressé à élucider l’énigme de la persistance et de la réplication du MSV et du TYLCV au sein de leur vecteur respectifs, en étudiant (1) l’acquisition et la persistance virale, (2) la colonisation des différents compartiments de l’insecte impliqués dans la transmission circulante et (3) les cinétiques des charges virales et les flux entre les compartiments de l’insecte en utilisant différentes approches basées sur la PCR en temps réel et la microscopie. Nos travaux ont permis d’identifier (1) l’existence d’une barrière intestinale spécifique, (2) la capacité d’emmagasiner des quantités très importantes d’ADN viral, et (3) la décroissance de la charge virale en période de jeûne viral indépendamment de l’espèce ou de la souche virale et de la durée d’alimentation infectieuse. Par ailleurs, l’ensemble de nos observations concernant (1) la diminution de la charge virale du TYLCV (forme virale ou réplicative) dans les aleurodes après une période d’alimentation infectieuse et (2) l’absence de transmission transovarienne du TYLCV à la descendance, soutiennent l’hypothèse d’une transmission du TYLCV selon le mode circulant non multipliant. Deuxièmement, mon projet de recherche s’est intéressé à identifier les principaux facteurs écologiques impliqués dans leur émergence, dont notamment les invasions biologiques avec le changement des populations de vecteurs, la dissémination virale et l’introduction de plante hôte sensible aux géminivirus dans de nouveaux écosystèmes. L’introduction successive de deux souches exotiques de TYLCV et d’une espèce invasive et polyphage de B. tabaci à la Réunion, nous a offert l’opportunité d’étudier l’évolution moléculaire et les dynamiques épidémiologiques de ces complexes viraux et vecteurs dans un écosystème tropical et insulaire. Pendant les douze années qui ont suivies les premières épidémies de TYLCD à La Réunion, le suivi épidémiologique et les analyses génétiques des populations d’aleurodes ont démontré la présence d’une espèce exotique et invasive de B. tabaci, d’une espèce indigène nouvellement décrite de la région du Sud-Ouest de l’océan Indien (SOOI), et d’une population hybride issues de plusieurs générations de croisements. L’analyse de la diversité du cortège endosymbiotique des trois populations de B. tabaci a permis de mettre en évidence des hybridations non aléatoires, avec des accouplements favorisant les femelles de l’espèce indigène et des males de l’espèce invasive. Le suivi épidémiologique du TYLCV a permis de révéler le déplacement rapide de la souche résidente par la nouvelle venue. L’évaluation des traits biologiques liés à la fitness (valeur adaptative) et l’efficacité de transmission des deux souches virales a permis de démontrer une meilleure aptitude écologique de la souche invasive qui explique sa propagation rapide et sa prévalence croissante. Nos données épidémiologiques et expérimentales ont permis la construction d’un modèle qui prédit la coexistence des deux souches sur le long terme grâce à la facilitation unilatérale entre les deux agents pathogènes et le maintien dans l’environnement de la souche la moins compétitive. La mise en place d’une veille sanitaire dans les îles du SOOI et en Afrique sur les cultures maraîchères et vivrières a permis (1) de caractériser une extraordinaire diversité de bégomovirus impliquée dans de nombreuses maladies, (2) d’étudier leurs relations phylogénétiques et (3) d’analyser l’importance de la recombinaison dans leur évolution. L’analyse de la diversité du MSV à l’échelle du continent africain et du TYLCV à l’échelle mondiale a permis de reconstruire les histoires évolutives à l’origine de la diversité actuelle de ces virus et de leurs souches émergentes, d’identifier leurs principales routes de dissémination et les hot spots géographiques de diversification de ces virus.Enfin, notre étude a porté sur les principaux facteurs moléculaires (recombinaison et pseudo-recombinaison) impliqués dans la diversité et la capacité d’évolution des géminivirus et leur plasticité génomique notamment en créant des associations complexes avec des ADNs satellites. L’analyse de la diversité génétique des bégomovirus des îles SOOI et d’Afrique a révélé l’existence (1) d’un grand nombre d’évènements de recombinaison interspécifique qui semble avoir forgé la structuration génétique des populations virales et (2) de hot et cold spots de recombinaison qui suggèrent que les évènements de recombinaison ne sont pas distribués aléatoirement le long des génomes. D’autre part, l’utilisation d’une technique combinatoire basée sur la prédiction des perturbations tridimensionnelles des protéines à la suite d’évènement de recombinaison, a permis de démontrer que les évènements de recombinaison observés sont moins perturbants que ceux simulés. Par conséquent, la sélection purificatrice, qui semble agir sur les recombinants naturels qui ne présentent pas des structures protéiques appropriées, représente un déterminant majeur du profil de recombinants naturels chez les bégomovirus. Enfin, l’élargissement de cette analyse à l’ensemble des virus à ADN circulaire simple brin, présentant pourtant des gammes d’hôtes très variées (animaux, végétaux et bactéries), a permis de confirmer l’importance de la recombinaison et de la sélection purificatrice sur le façonnage des profils de recombinaison et le maintien des réseaux d’interaction au sein du génome. L’étude expérimentale de la capacité d’évolution et d’adaptation des populations virales, issues de la rencontre entre un virus exotique, invasif et émergent et d’un virus indigène de la région SOOI a permis de démontrer que la recombinaison offre l’opportunité à ces virus d’accéder et de coloniser un très large espace de diversité, et de générer de nouveaux variants potentiellement émergents. L’ensemble de nos investigations suggère que les principaux facteurs associés à l’émergence de ces maladies à géminivirus en Afrique et dans les îles SOOI sont les invasions biologiques avec les introductions (1) d’agents pathogènes dans de nouveaux environnements, (2) de plantes exotiques sensibles aux géminivirus (saut d’espèce), (3) de populations d’insectes vecteurs avec une gamme de plante hôte plus large capable d’extraire de nouvelles espèces virus de leur niche originelle (écosystèmes naturels), (4) l’apparition de nouvelles espèces virales, (5) la recombinaison et les associations complexes de plusieurs espèces virales et d’ADN satellites

Avoidance of Protein Fold Disruption in Natural Virus Recombinants

With the development of reliable recombination detection tools and an increasing number of available genome sequences, many studies have reported evidence of recombination in a wide range of virus genera. Recombination is apparently a major mechanism in virus evolution, allowing viruses to evolve more quickly by providing immediate direct access to many more areas of a sequence space than are accessible by mutation alone. Recombination has been widely described amongst the insect-transmitted plant viruses in the genus Begomovirus (family Geminiviridae), with potential recombination hot- and cold-spots also having been identified. Nevertheless, because very little is understood about either the biochemical predispositions of different genomic regions to recombine or what makes some recombinants more viable than others, the sources of the evolutionary and biochemical forces shaping distinctive recombination patterns observed in nature remain obscure. Here we present a detailed analysis of unique recombination events detectable in the DNA-A and DNA-A-like genome components of bipartite and monopartite begomoviruses. We demonstrate both that recombination breakpoint hot- and cold-spots are conserved between the two groups of viruses, and that patterns of sequence exchange amongst the genomes are obviously non-random. Using a computational technique designed to predict structural perturbations in chimaeric proteins, we demonstrate that observed recombination events tend to be less disruptive than sets of simulated ones. Purifying selection acting against natural recombinants expressing improperly folded chimaeric proteins is therefore a major determinant of natural recombination patterns in begomoviruses

Long-term viral competition monitoring: a case of epidemiological rescue

Biological invasions are major threats to biodiversity and the main causes of emerging viral diseases. The ongoing spread of Tomato yellow leaf curl virus is a major concern to the sustainable tomato production throughout the world. The two main strains of TYLCV have been successively introduced in Reunion Island providing a fortuitous field experiment to study the invasion and competition of these two emerging strains in a tropical and insular environment. In this study, a seven-year field survey was performed following the introduction of the Israel strain of TYLCV (TYLCV-IL) into a niche occupied by the Mild strain of TYLCV (TYLCV-Mld). A displacement of the resident TYLCV-Mld by the newcomer TYLCV-IL was observed in this short period. To understand the factors associated with this displacement, biological traits related to fitness were measured to compare these strains. Besides demonstrating a better ecological aptitude of TYLCV-IL, which explains its rapid spread and increasing prevalence, the first estimate of the number of viral particles efficiently transmitted by an insect vector for a circulative virus was obtained. However, TYLCV-Mld persistence in the field (especially in mixed infections with TYLCV-IL) spurred further experiments regarding the effects of the mixed infections on these biological traits. Our study revealed complex interplay between these two strains of one of the most emergent plant virus following their successive introductions in the insular and tropical environment of Reunion Island. This rare case of unilateral facilitation between two pathogens led to the epidemiological rescue and maintenance of the less fit strain. (Texte intégral