France
September 27, 2017
As part of an international consortium, INRA researchers, in partnership with the CEA and INRIA*, have sequenced one of the first genomes of a moth from the superfamily Noctuoidea: Spodoptera frugiperda, or armyworm. This crop pest – until now only known on the American continent – has become invasive in Africa since 2016. Published in Scientific Reports on 25 September 2017, this study opens up perspectives for new methods of biological control and a better understanding of the mechanisms involved in the appearance of pesticide resistance.
Spodoptera frugiperda is a moth belonging to the superfamily Noctuoidea. It is also called Armyworm because the caterpillars are sometimes so numerous that they form “carpets” on the ground, similar to an army on the march. Unlike the majority of herbivorous insects, the Armyworm is highly polyphagous: it attacks over one hundred plant species, including crops (maize, rice, sorghum, cotton and soybean). The moth moves in large swarms and is able to fly long distances.
Until now limited to America and the Caribbean, Spodoptera frugiperda is estimated to cause 600 million dollars in damage in Brazil every year according to the FAO**. In America, 67 cases of insect resistance to pesticides have been identified to date***, illustrating the difficulty of controlling these populations. Since January 2016, it has become invasive in Africa, where it destroys maize crops in 21 countries in the south and west parts of the continent. It is currently a threat to the European continent.
Sequencing of one of the first genomes of a moth belonging to the superfamily Noctuoidea
In the framework of an international public consortium called Fall Armyworm****, INRA researchers, in partnership with the CEA and INRIA, sequenced the genome of Spodoptera frugiperda. They described one of the first genomes of a moth belonging to the superfamily Noctuoidea and, more specifically, studied three types of gene families***** in this insect.
- Scientists first analysed a group of genes involved in the recognition of host plants which allows them to feed or lay their eggs. By comparing the genome of S. frugiperda with the available genomes of (non-polyphagous) Lepidoptera, researchers found an expansion in the number of genes (230 versus 45 to 74 in other Lepidoptera) encoding a certain type of taste receptor. The latter are located on the moth’s trump (proboscis) or under their legs. They are thought to allow them to detect toxins or bitter compounds produced by plants. The only insect known to have such taste receptor expansions is an omnivorous beetle, the red flour beetle, which also attacks a wide range of foods.
- Researchers also looked at other families of genes necessary to cope withr the chemical defences that plants overproduce when they are attacked (detoxification). They discovered expansions in two of the four major gene families for detoxification (encoding cytochrome P450s (CYP) or glutathione-S-transferases (GST)). These are the same genes that can be involved in resistance to pesticides.
- Lastly, scientists described a group of genes involved in the digestion of plant tissues.
For the purpose of the study, two genomes of S. frugiperda were analysed: two genomic variants based on the insect’s host plant – the maize variant and rice variant, which are found throughout their range of distribution in America. The researchers found differences between the variants in terms of the number and sequence of genes necessary to detoxify the toxins emitted by the plants and in the genes necessary for digestion.
This data was made available to the international scientific community to allow specialists to identify which variant of the moth is invading Africa. Moreover, this work will also make it possible to envision new biological control methods. It will also improve understanding of the mechanisms by which pesticide resistance appears.
The genome of a related species in Asia also sequenced
Researchers at INRA have contributed to the analysis of the genome of Spodoptera litura, an Asian ‘cousin’ of Spodoptera frugiperda. This polyphagous pest found in Asia attacks a hundred or so crops, including rice, cotton and vegetables. The sequencing of its genome appeared the same day in Nature Ecology and Evolution (doi:10.1038/s41559-017-0314-4.). |
1 The GensCale team at INRIA’s Rennes Bretagne-Atlantique research centre is a bioinformatics team that develops methods to process and assemble the massive amount of DNA sequencing data. As part of this project, the team participated in the assembly and comparison of both genomes, notably by developing new ways of reducing redundancy in assembly, due to the high rate of heterozygosity, and of identifying structural differences between the two genomes.
2 Food and Agriculture Organization of the United Nations
3 www.pesticideresistance.org
4 The FAW-IPC consortium brings together 65 experts from nine countries: Germany, Spain, France, Netherlands, Brazil, the United States, China, India and Australia.
5 A gene family results from the accumulation in a genome of several copies of an ancestral gene via different molecular mechanisms, including tandem duplications. These copies will be able to vary in their sequence by acquiring mutations which can either inactivate the gene or change its expression (allowing it, for example, to express itself in a new tissue of the insect), or change its function, compared to the ancestral copy. If the new copies give the insect a better chance at survival, they will remain in its genome in addition to the ancestral copies, which in the long run will lead to an expansion of the number of genes in the family.
Décryptage du génome du Légionnaire d’automne, un papillon ravageur qui envahit l'Afrique
Dans le cadre d’un consortium international, des chercheurs de l’Inra, en collaboration avec le CEA et l’Inria*, ont séquencé l’un des tout premiers génomes d’un papillon de la superfamille des Noctuoidea : celui de Spodoptera frugiperda ou Légionnaire d’automne. Ce ravageur des cultures -jusque-là connu sur le continent américain - est devenu invasif en Afrique depuis 2016. Publiés dans Scientific Reports le 25 Septembre 2017, ces travaux ouvrent des perspectives vers de nouveaux moyens de lutte biologique et une meilleure compréhension des mécanismes d’apparition des résistances aux pesticides.
Spodoptera frugiperda est un papillon de nuit appartenant à la superfamille des Noctuoidea. Il est également appelé Légionnaire d’automne car les chenilles sont parfois si nombreuses qu’elles forment des ‘tapis’ sur le sol, évoquant une armée en marche. A la différence de la majorité des insectes herbivores, la Légionnaire d’automne est très polyphage : elle s’attaque à plus d’une centaine de plantes, notamment des plantes cultivées (maïs, riz, sorgho, coton, soja). Ce papillon se déplace sous forme de grands essaims et est capable de voler sur de grandes distances.
Jusqu’alors cantonné au continent américain et aux Caraïbes, les dégâts provoqués par Spodoptera frugiperda sont estimés par la FAO** à 600 millions de dollars chaque année au Brésil. En Amérique, 67 cas de résistance de l’insecte aux pesticides ont été recensés à ce jour***, ce qui illustre la difficulté à contrôler ces populations. Depuis janvier 2016, il est devenu invasif en Afrique où il ravage les champs de maïs de 21 pays du Sud et de l’Ouest. Il menace aujourd’hui le continent européen.
Séquençage d’un des tout premiers génomes d’un papillon de la superfamille des Noctuoidea
Dans le cadre du consortium public international Fall Armyworm****, des chercheurs de l’Inra, en collaboration avec le CEA et l’Inria, ont séquencé le génome de Spodoptera frugiperda. Ils ont ainsi décrit l’un des premiers génomes d’un papillon appartenant à la superfamille des Noctuoidea et ont étudié plus spécifiquement 3 types de familles de gènes***** chez cet insecte.
- Les scientifiques ont d’abord analysé un groupe de gènes impliqués dans la reconnaissance des plantes hôtes, leur permettant de se nourrir ou d’y déposer leurs œufs. En comparant le génome de S. frugiperda avec les génomes disponibles de Lépidoptères (non polyphages), les chercheurs ont révélé une expansion du nombre de gènes (230 contre 45 à 74 chez les autres Lépidoptères) codant pour un certain type de récepteurs gustatifs. Ces derniers sont situés sur la trompe des papillons ou sous leurs pattes. Ils leur permettraient de détecter des toxines ou des composés amers produits par les plantes. Le seul insecte connu pour avoir de telles expansions de récepteurs gustatifs est un coléoptère omnivore, le tribolion rouge de la farine qui s’attaque également à une large gamme d’aliments.
- Ils se sont ensuite intéressés à d’autres familles de gènes nécessaires pour contrer les défenses chimiques que les plantes surproduisent lorsqu’elles sont attaquées (détoxification). Les chercheurs ont découvert des expansions dans deux des quatre grandes familles de gènes pour la détoxification (codant pour les cytochromes P450s (CYP), ou les glutathion-S-transférases(GST)). Ce sont ces mêmes gènes qui peuvent être impliqués dans les résistances aux pesticides.
- Enfin, les scientifiques ont décrit un groupe de gènes impliqués dans la digestion des tissus végétaux.
Pour réaliser cette étude, deux génomes de S. frugiperda ont été analysés, correspondant à deux variants génomiques selon la plante hôte de l’insecte : le variant maïs et le variant riz, que l’on retrouve sur l’ensemble de leur aire de distribution en Amérique. Les chercheurs ont mis en évidence des différences entre ces variants dans le nombre et la séquence des gènes nécessaires à la détoxification des toxines émises par les plantes et dans les gènes nécessaires à la digestion.
Mises à la disposition de la communauté scientifique internationale, toutes ces données vont permettre d’identifier quel variant du papillon est en train d’envahir le continent africain. Plus encore, ces travaux vont aussi permettre d’évoquer de nouveaux moyens de lutte biologique. Ils vont également améliorer la compréhension des mécanismes d’apparition des résistances aux pesticides.
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Le génome d’une espèce apparentée présente en Asie également séquencé
Des chercheurs de l'Inra ont contribué à l'analyse du génome de Spodoptera litura, "cousin" asiatique de Spodoptera frugiperda. Ce ravageur polyphage présent en Asie s’attaque à une centaine de plantes cultivées dont riz, coton, légumes, etc. Le séquençage de son génome est publié le même jour dans Nature Ecology and Evolution ( doi:10.1038/s41559-017-0314-4.).
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* L'équipe GensCale, du centre de recherche Inria Rennes Bretagne-Atlantique est une équipe de bioinformatique qui développe des méthodes pour traiter et assembler les données massives de séquençage d'ADN. Dans le cadre de ce projet, l'équipe a participé à l'assemblage puis à la comparaison des deux génomes, notamment en développant de nouvelles méthodes pour réduire la redondance dans les assemblages due au fort taux d'hétérozygotie et pour identifier des variants structuraux entre les deux génomes.
** Organisation des Nations-Unies pour l'alimentation et l'agriculture
*** www.pesticideresistance.org
**** Le consortium FAW-IPC réunit 65 experts de neuf pays dont l’Allemagne, l’Espagne, la France, les Pays-Bas, le Brésil, les Etats-Unis, la Chine, l’Inde, l’Australie.
***** Une famille de gènes résulte de l’accumulation dans le génome de plusieurs copies d’un gène ancestral, par différents mécanismes moléculaires dont les duplications en tandem. Ces copies vont pouvoir varier dans leur séquence en acquérant des mutations, qui peuvent, soit inactiver le gène, soit changer son expression (en lui permettant par exemple de s’exprimer dans un nouveau tissu de l’insecte), soit changer sa fonction, par rapport à la copie ancestrale. Si les nouvelles copies confèrent une meilleure survie à l’insecte, elles seront maintenues dans son génome en plus des copies ancestrales, ce qui conduira à la longue à une expansion du nombre de gènes de la famille.
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