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Fusarium graminearum est un pathogène fongique majeur qui infecte les cultures céréalières et provoque la fusariose de l’épi. Ce champignon filamenteux produit également des toxines - appelées mycotoxines car produites par un champignon - de la famille des trichothécènes de type B dont le principal représentant est le déoxynivalenol (DON). Le DON est un des contaminants les plus préoccupants des récoltes céréalières et produits dérivés (ANSES, 2011) ; s’accumulant dans les grains au cours de la culture, cette mycotoxine n’est que partiellement éliminée lors de la transformation des denrées alimentaires et des aliments pour animaux.
Ainsi, limiter efficacement les niveaux de contamination des produits céréaliers par le DON nécessite la mise en place de stratégies prophylactiques, en pré-récolte. Bien que des bonnes pratiques agricoles combinant systèmes d’assolement, gestion des résidus de culture et choix variétaux aient été proposées, elles ne sont pas toujours suffisamment efficaces pour prévenir la contamination par F. graminearum et garantir des teneurs en DON compatibles avec les limites réglementaires fixées par l’union européenne (réglement UE 1126/2007). Le développement de solutions innovantes, durables et respectueuses de l'environnement pour réduire les contaminations des céréales par les mycotoxines produites par F. graminearum est un enjeu majeur aussi bien d‘ordre économique pour les filières concernées que d’ordre de santé publique. La définition de biofongicides exploitant la bioactivité de molécules naturelles fait partie de ces solutions innovantes. Dès 2015, l’activité antifongique de défensines présentes chez les tiques a été reportée vis-à-vis de F. graminearum (Tonk et al., 2015). Les défensines sont une famille de peptides cycliques de faible poids moléculaire dont certaines sont des effecteurs majeurs de l’immunité des tiques. Les auteurs précédents ont démontré la capacité remarquable de la défensine DefMt3 de l’espèce Ixodes ricinus à inhiber la germination des spores de F. graminearum et ont suggéré que le domaine fonctionnel γ-core de DEfMt3, nommé TickCore3, serait l’acteur majeur responsable de l’inhibition. Aucune donnée n’était disponible sur la capacité des défensines à interférer avec la production de mycotoxines. Les déterminants structuraux et mécanismes expliquant la bioactivité de DefMt3 et son domaine TickCore3 demandaient à être élucidés, une étape indispensable pour une exploitation optimale du potentiel de ces peptides dans le développement de solutions de biocontrôle.

Résultats :
L’activité antifongique vis-à-vis de F. graminearum de la défensine DefMT3 de l’espèce Ixodes ricinus et de son domaine fonctionnel γ-core (TickCore3) a été précisée. Les concentrations minimales inhibitrices (CMI) associées à ces peptides sont près de 50 fois inférieures à celles associées aux antioxydants naturels couramment étudiés en tant que biomolécules pouvant intégrer la formulation de solutions de biofongicides. De plus, des concentrations de l’ordre du micromolaire de TickCore3 ont conduit à une réduction drastique (plus de 90%) de la production de DON par F. graminearum sans affecter l’accumulation de biomasse fongique, suggérant l’existence de mécanismes spécifiques d’inhibition de la toxinogénèse indépendant de ceux conduisant à l’inhibition de la croissance.
L’analyse des déterminants physicochimiques responsables de la bioactivité a été menée uniquement sur TickCore3 à l’aide de variants du peptide synthetisés chimiquement. La séquence de TickCore3 comprend 14 acides aminés dont trois résidus cystéine (Cys) qui, en conditions oxydantes, sont à l’origine de la formation de ponts disulfure. Pour répondre à l'hypothèse que la formation de cycles dans TickCore3 peut moduler sa bioactivité, des peptides dérivés de TickCore3 ont été synthétisés en alkylant chaque résidu Cys individuellement avec un groupe méthyle, suivi d'un protocole d'oxydation qui a généré des peptides avec des ponts disulfures établis entre Cys5-Cys6, Cys4-Cys6 et Cys4-Cys5. Aucun des variants oxydés de TickcCore3 n’a eu un effet sur la croissance fongique et leur capacité à inhiber la production de DON a été fortement réduite comparée à celle de la forme linéaire. Pour étudier l’influence de la charge cationique, des variants de TickCore3 ont été synthétisés en substituant les acides aminés dits basique (arginine et lysine) par un résidu non chargé, la thréonine. Pour l’ensemble des peptides substitués, l’activité antifongique et la capacité à inhiber la production de mycotoxines ont été réduites, comparées à celles du peptide natif. Cette réduction de capacité à inhiber la production de DON était particulièrement marquée pour le variant du peptide dans lequel les acides aminés lysine en position 13 et 6 étaient substitués, suggérant un rôle important de ces résidus dans l’activité biologique. Ce rôle clef a été appuyé par des approches de modélisation moléculaire de l’interaction entre le peptide et la membrane plasmique de F. graminearum.

En conclusion :
- DefMt3 et TickCore3 possèdent une remarquable activité antifongique et anti-mycotoxine.
- La forme linéaire et la charge cationique sont deux paramètres clefs de l’activité biologique de TickCore3.
- DefMt3 et TickCore3 sont deux peptides solubles dans l’eau et de taille (38 et 14 acides aminés, respectivement) compatible avec une production par voie biotechnologique.
L’ensemble des résultats précédents fait de DefMt3 un excellent candidat pour une solution de biocontrôle
(NB : TickCore3 ne peut prétendre à l’allégation « substance de biocontrôle » car non synthétisé en tant que tel naturellement)
Perspectives :
- Sur le plan scientifique, l’étude mécanistique se poursuit avec la mise en œuvre d’une approche combinant transcriptomique et métabolomique. L’étude est aussi élargie à d’autres espèces qui se retrouvent en association avec F. graminearum sur l’épi afin de vérifier que le peptide n’induit pas de déséquilibre de flore et un effet opposé à celui souhaité. Ses travaux sont réalisés dans le cadre de la thèse de Valentin Leannec-Rialland et le projet AAP MICA TickTox.
- Sur le plan de l’innovation, la demande de l’extension à l’international du brevet B3267FR00 est en cours d’étude. Après diffusion par INRAE Transfert de l’offre technologique associée au brevet, des discussions sont en cours avec plusieurs industriels du secteur de la phytoprotection.

Brevet : B3267FR00 - Dépôt d'une demande Internationale en aôut 2021
Publication : Leannec-Rialland et al., 2021. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86904-w