La façon dont le champignon de l’explosion du riz pénètre dans les feuilles le rend vulnérable aux bloqueurs chimiques pulvérisés –

Chaque année, la maladie blastique, causée par le pathogène fongique Magnaporthe oryzaeattaque et tue des plantes qui représentent entre 10% et 35% de la récolte mondiale de riz, selon les conditions climatiques.

Université de Californie, Berkeley, des biochimistes dirigés par Michael Marletta, professeur de chimie et de biologie moléculaire et cellulaire, ont découvert que le champignon sécrète une enzyme qui perce des trous dans la couche externe dure des feuilles de riz. Une fois à l’intérieur, le champignon se développe rapidement et tue inévitablement la plante.

Dans un article publié cette semaine dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences, Marletta et ses collègues décrivent la structure de l’enzyme et son fonctionnement pour aider le champignon à envahir les plantes. Étant donné que l’enzyme est sécrétée à la surface de la feuille de riz, une simple pulvérisation pourrait être efficace pour détruire la capacité de l’enzyme à digérer la paroi de la plante. Les scientifiques examinent maintenant des produits chimiques pour trouver ceux qui bloquent l’enzyme.

« Selon les estimations, si vous pouviez éliminer ce champignon, vous pourriez nourrir 60 millions de personnes supplémentaires dans le monde », a déclaré Marletta, titulaire de la chaire Choh Hao et Annie Li en biologie moléculaire des maladies à l’UC Berkeley. “Cette enzyme est une cible unique. Notre espoir ici est que nous allons cribler pour trouver des produits chimiques uniques et créer une entreprise pour développer des inhibiteurs de cette enzyme.”

Cette cible fait partie d’une famille d’enzymes appelées polysaccharides monooxygénases (PMO) que Marletta et ses collègues de l’UC Berkeley ont découvertes il y a un peu plus de 10 ans dans un autre champignon plus répandu, Neurospora. Les polysaccharides sont des polymères de sucre qui comprennent l’amidon ainsi que les fibres résistantes qui rendent les plantes robustes, notamment la cellulose et la lignine. L’enzyme PMO décompose la cellulose en plus petits morceaux, rendant le polysaccharide sensible à d’autres enzymes, telles que les cellulases, et accélérant la dégradation des fibres végétales.

“Il y a un besoin urgent de stratégies de contrôle plus durables de la pyriculariose, en particulier en Asie du Sud et en Afrique subsaharienne”, a déclaré Nicholas Talbot, collègue et co-auteur de Marletta, expert en maladies des plantes et directeur exécutif de The Sainsbury. Laboratoire à Norwich au Royaume-Uni. “Compte tenu de l’importance de la polysaccharide monooxygénase pour l’infection des plantes, elle peut être une cible précieuse pour développer de nouvelles chimies qui pourraient être appliquées à des doses beaucoup plus faibles que les fongicides existants et avec un impact environnemental potentiel moindre. des approches libres aussi, comme le silençage génique. »

Will Beeson et Chris Phillips, étudiants au doctorat de Marletta et de l’UC Berkeley, s’intéressaient à l’origine à ces enzymes car elles dégradent la cellulose végétale beaucoup plus rapidement que les autres enzymes décrites précédemment et avaient donc le potentiel de transformer la biomasse en polymères de sucre qui peuvent être fermentés plus facilement en biocarburants. . Les champignons utilisent les PMO pour fournir une source de nourriture.

Lui et ses collègues de l’UC Berkeley ont par la suite découvert des indices selon lesquels certains PMO fongiques pourraient faire plus que simplement transformer la cellulose en nourriture. Ces PMO ont été activés aux premiers stades de l’infection, ce qui implique qu’ils sont importants dans le processus d’infection plutôt que de fournir de la nourriture.

C’est ce que Marletta, Talbot et leurs collègues ont découvert. Dirigés par la boursière postdoctorale Alejandra Martinez-D’Alto, les scientifiques de l’UC Berkeley ont caractérisé biochimiquement ce PMO unique, appelé MoPMO9A, tandis que Talbot et la boursière postdoctorale de l’UC Berkeley Xia Yan ont montré que l’élimination de l’enzyme réduisait l’infection dans les plants de riz.

Marletta et ses collègues de l’UC Berkeley ont trouvé des PMO similaires dans des champignons qui attaquent les raisins, les tomates, la laitue et d’autres cultures majeures, ce qui signifie que les nouvelles découvertes peuvent avoir une large application contre les maladies fongiques des plantes.

“Ce n’est pas seulement le riz contre lequel les inhibiteurs à petites molécules pourraient être utilisés. Ils pourraient être largement utilisés contre une variété d’agents pathogènes des cultures différents”, a déclaré Marletta. “Je pense que l’avenir pour cela, en termes de développement de médicaments pour les agents pathogènes des plantes, est assez excitant, c’est pourquoi nous allons poursuivre à la fois la science fondamentale, comme nous le faisons toujours, et essayer de rassembler des pièces pour le faire tourner en tant qu’entreprise.”

Les biocarburants ouvrent la voie à l’attaque des pathogènes fongiques

Marletta se spécialise dans l’identification et l’étude d’enzymes nouvelles et inhabituelles dans les cellules humaines. Mais il y a 10 ans, lorsque les gens se sont enthousiasmés pour les biocarburants comme moyen de lutter contre le changement climatique, il a reçu une subvention de l’Energy Biosciences Institute de l’UC Berkeley pour rechercher des enzymes dans d’autres formes de vie qui digèrent la cellulose végétale plus rapidement que les enzymes connues à l’époque. . L’objectif était de transformer des fibres de cellulose résistantes en polysaccharides à chaîne courte que la levure pourrait fermenter en carburant.

“J’ai dit à deux de mes étudiants diplômés de première année, Chris Phillips et Will Beeson, ‘Vous savez, il doit y avoir des organismes qui mangent la cellulose rapidement'”, a déclaré Marletta. “Ce sont ceux que nous voulons trouver, car nous connaissons les enzymes qui le mangent lentement, et ils ne sont pas particulièrement utiles au sens biotechnologique car ils sont lents.”

Phillips et Beeson ont réussi à trouver des enzymes à action rapide dans un champignon commun, Neurospora, qui est parmi les premiers champignons à attaquer les arbres morts après un incendie et fait un travail rapide de digestion du bois pour les nutriments. Ils ont isolé l’enzyme responsable, le premier PMO connu, et décrit son fonctionnement. Depuis lors, les étudiants de Marletta ont identifié 16 000 variétés de PMO, la plupart dans des champignons, mais certaines dans des bactéries xylophages. À ce jour, ceux-ci ont réussi à accélérer la production de biocarburants dans le cadre d’un cocktail d’autres enzymes, bien qu’ils n’aient pas rendu les biocarburants compétitifs par rapport aux autres carburants.

Mais Marletta a été intriguée par un petit sous-ensemble de ces 16 000 variétés qui semblaient faire plus que nourrir les champignons. MoPMO9A, en particulier, avait un segment d’acide aminé qui se lie à la chitine, un polysaccharide qui forme la couche externe des champignons, mais qui ne se trouve pas dans le riz. Et bien que tous les PMO soient sécrétés, MoPMO9A a été sécrété pendant le cycle infectieux du champignon.

Des études ont ensuite montré que Magnaporthe concentre MoPMO9A dans une cellule d’infection sous pression, appelée appressorium, à partir de laquelle il est sécrété sur la plante, une partie de l’enzyme se liant à l’extérieur du champignon. L’autre extrémité de l’enzyme a un atome de cuivre intégré en son centre. Lorsque le champignon frappe l’extrémité libre de l’enzyme sur la feuille de riz, l’atome de cuivre catalyse une réaction avec l’oxygène pour casser les fibres de cellulose, aidant le champignon à percer la surface de la feuille et à envahir toute la feuille.

“Nous étions curieux : ‘Hé, pourquoi cette enzyme a-t-elle un domaine de liaison à la chitine si elle est censée fonctionner sur la cellulose ?'” selon Marletta. “Et c’est à ce moment-là que nous avons pensé:” Eh bien, peut-être qu’il est sécrété, mais il colle au champignon. De cette façon, lorsque le champignon est assis sur la plante, il peut avoir entre lui et la feuille le domaine catalytique pour percer le trou dans le feuille.'”

Cela s’est avéré être le cas. Marletta et Talbot testent actuellement d’autres agents pathogènes qui produisent des PMO pour voir s’ils utilisent la même astuce pour pénétrer et infecter les feuilles. Si c’est le cas – Marletta est convaincue qu’ils le font – cela ouvre également la voie pour les attaquer avec un fongicide à pulvériser.

“Le seul endroit où vous trouvez des PMO comme celui-ci est dans les agents pathogènes des plantes qui doivent accéder à leur hôte. Donc, ils vont presque certainement fonctionner de la même manière”, a déclaré Marletta. “Je pense que la portée du travail pour développer des inhibiteurs de ce PMO particulier va bien au-delà du riz, même si cela en soi est assez important. Nous allons pouvoir les utiliser dans d’autres plantes cultivées importantes.”

Les autres co-auteurs de l’article sont Alejandra Martinez-D’Alto, Tyler Detomasi, Richard Sayler et William Thomas de l’UC Berkeley. Marletta est membre de la branche de Berkeley du California Institute for Quantitative Biosciences (QB3). La recherche a été financée par la National Science Foundation (CHE-1904540, MCB-1818283) et les National Institutes of Health (F32-GM143897).