"Comment des microbes inféodés aux végétaux pourraient nourrir le monde et sauver des espèces en voie de disparition : approfondir l’étude du microbiote des végétaux pourrait aider les futurs agriculteurs et les défenseurs de l’environnement" par Amber Dance

ISIAS Biologie

Comment des microbes inféodés aux végétaux pourraient nourrir le monde et sauver des espèces en voie de disparition : approfondir l’étude du microbiote des végétaux pourrait aider les futurs agriculteurs et les défenseurs de l’environnement

Dossier annexé sur les microbiotes des êtres vivants

L’article d’origine de Amber Dance a été publié le 06 septembre 2018 par Science News Feature Agriculture, Plants, Microbes sous le titre « How plant microbes could feed the world and save endangered species » il est accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/plant-microbes-crops-food-endangered-species

Koolau mountain range

PARTENAIRES VÉGÉTAUX - Phyllostegia kaalaensis, une espèce végétale qui poussait sur la chaîne Koolau d’Oahu sur l’île de Hawai (photo ci-dessus) jusqu’en 1970 environ. Les chercheurs se tournent vers les microbes pour aider à rétablir cette plante aromatique. David L. Moore-HI/Alamy.

Un beau jour à Hawaï en 2015, Geoff Zahn et Anthony Amender sont partis pour une randonnée de huit heures. Ils ont grimpé sur une montagne dans la jungle sur l’île d’Oahu, chassant les moustiques et longeant des bas-fonds peuplés de porcs sauvages. Ils se sont dirigés vers le site où une station de Phyllostegia kaalaensis, en danger critique d’extinction, avait été plantée quelques mois plus tôt.

« Toutes les plantes étaient parties », se souvient Zahn, étudiant puis stagiaire post-doctoral à l’Université d’Hawaii à Manoa. Les deux écologistes n’ont trouvé que les drapeaux rouges placés sur le site de chaque plantation, ainsi que quelques tiges mortes. « C’était comme un cimetière », dit Zahn.

Les plantes, membres de la famille de la menthe, mais sans l’arôme de menthol, avaient très probablement été atteintes par l’oïdium causé par Galeopsidis Neoerysiphe. Aujourd’hui, ces plantes à fleurs blanches, originaire d’Oahu, ne survivent que dans deux serres gérées par le gouvernement sur l’île. Pourquoi P. kaalaensis s’est presque éteinte ? Cela n’est pas clair, mais à la fois la perte de l’habitat et les attaques de l’oïdium sont des explications possibles. Les attaques de maladies fongiques touchent aussi les plantes dans les serres et les chercheurs présument qu’elles avaient tué toutes les plantes qu’ils avaient tenté de réintroduire dans la nature.

Ils rentrèrent chez eux penauds et déterminés à aider la petite menthe. Tout comme les humains et les autres animaux, les plantes ont leurs propres microbiotes, composé par des bactéries, des champignons et d’autres micro-organismes vivant sur et dans les plantes. Certains organismes, comme le mildiou, attaquent les végétaux. D’autres sont bénéfiques. Une simple feuille héberge des millions de microbes, parfois des centaines de types. Ceux qui vivent dans les tissus de la plante sont appelés endophytes. Les plantes acquièrent un grand nombre de ces microbes à partir du sol et de l’air ; certains sont transmis de génération en génération par les semences.

Bénéficiaires botaniques

Les bactéries et les champignons qui vivent dans et sur les plantes peuvent aider leurs hôtes de plusieurs façons.

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Plante : Légumineuses et autres plantes - Microbe : Rhizobia

Effets : Donner à la plante de l’azote supplémentaire, ce qui stimule la photosynthèse et aide la plante à produire des alcaloïdes amers contenant de l’azote, et qui se défendent contre les animaux qui se nourrissent de plantes.

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Plante : Maïs (Zea mays) - Microbe : Glomus mosseae

Effets : Augmenter la longueur des racines et l’absorption de l’eau

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Plante : Dang shen (Codonopsis pilosula), une plante médicinale également appelée ginseng du pauvre - Microbe : quelques souches de Bacillus subtilis

Effets : améliorer la taille des plantes, la teneur en chlorophylle et la photosynthèse

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Plante : peuplier noir (Populus trichocarpa) - Microbe : Stachybotrys

Effets : Réduire la sévérité de la rouille des feuilles causée par le champignon Melampsora

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Plante : Luzerne (Medicago sativa) - Microbe : Sinorhizobium meliloti

Effets : aider la plante à supporter avec le gel.

Photos - Source à partir du haut : Keith Weller/Agricultural Research Service/USDA ; Anthony Appleyard/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) ; I, Doronenko/Wikimedia Commons (CC BY 2.5) ; Amiyashrivastava/ Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0) ; Ivar Leidus/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0).Haut du formulaire

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Des microbes utiles peuvent aider à la croissance des plantes et à la photosynthèse, ou encore aider à survivre face à la sécheresse et à d’autres facteurs de stress. Certains microbes protègent les plantes de certaines maladies ou les animaux qui s’en nourrissent. Des scientifiques comme Zahn enquêtent sur la façon dont ces communautés pourraient aider les plantes en voie de disparition dans la nature, comme la menthe sur la montagne, ou améliorer la production des plantes cultivées telles que les céréales, et le cacaoyer tropical.

Au-delà du magasin de bricolage et de jardinage

Certains partenaires microbiens des plantes sont bien connus, et il y a des dizaines de produits microbiens déjà proposés sur le marché. Les jardiniers, par exemple, peuvent ajouter à leurs eaux d’arrosage des microbes pour encourager la floraison et pour stimuler l’immunité des plantes. Mais « nous savons très peu de choses sur la façon dont ces produits-là font leur activité », dit Jeff Dangl, généticien à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. « Aucun de ces produits de magasin de fournitures de jardin se sont avérées utiles à une grande échelle ».

Selon Jeff Dangl, les grandes exploitations agricoles peuvent utiliser des traitements microbiens. La principale qui est appliquée globalement en agriculture sur une grande échelle, aide les racines à recueillir l’azote, que les plantes utilisent pour produire de la chlorophylle pour la photosynthèse.

Les agriculteurs pourraient bientôt avoir à choisir beaucoup d’autres aides microbiennes. Les scientifiques qui étudient les microbiotes de plantes ont décrit de nombreux partenaires de plantes inconnus au cours des dernières décennies. Les chercheurs disent qu’ils ont seulement gratté la surface de toutes les possibilités. De nombreuses entreprises de démarrage recherchent et diffusent de nouveaux traitements microbiens. « Les cinq dernières années ont vu une explosion dans ce domaine, » dit Dangl, qui a cofondé AgBiome, qui prévoit de commercialiser bientôt un traitement bactérien qui lutte contre les maladies fongiques. Des géants agricoles comme Bayer AG, qui a récemment racheté Monsanto, sont également en train d’investir des centaines des millions de dollars en traitements microbiens potentiels pour les plantes cultivées.

L’espoir est que les microbes pourraient fournir la prochaine grande révolution dans l’agriculture. Une révolution qui a cruellement besoin avec la population humaine qui est en cours de croissance, susceptible de passer de 7,6 milliards aujourd’hui à près de 10 milliards d’ici 2050, et les besoins de nourritures à base de plantes, de fibres végétales et d’aliments pour animaux pourraient doubler au cours de cette prériode.

« Nous allons avoir besoin d’augmenter les rendements », dit Posy Busby, un écologiste à l’Oregon State University à Corvallis. « Si nous pouvons gérer et manipuler les microbiomes ... cela pourrait représenter une zone inexploitée pour augmenter le rendement des plantes en milieu agricole ». Pendant ce temps, des scientifiques comme Zahn examinent le microbiome de certains pour tenter de sauver des plantes en voie de disparition.

Mais avant que l’agriculture à base microbiome et les pratiques écologique de conservation puissent vraiment décoller, de nombreuses questions ont besoin de réponses. Plusieurs gravitent autour des interactions complexes entre les plantes, leurs habitants microbiennes divers et les environnements dans lesquels ils vivent. L’une des préoccupations est que les microbes, qui aident certaines plantes, pourraient nuire sous certaines conditions par ailleurs, et le microbiologiste Luis Mejía de l’Institut de recherche scientifique et de haute technologie des services à Panama City, met en garde.

Sauver les cacaoyers et le chocolat

Les plants de cacaoyers cultivés cultures de cacao - et donc les offres de produits alimentaires de sociétés telle que M & du groupe Mars - sont sous la menace constante de champignons indésirables, comme Phytophthora palmivora, qui provoque la pourriture des cabosses de cacao. Mais il y a de bons microorganismes aussi dans le microbiome ds cacaoyers, en particulier le champignon Colletotrichum tropicale, qui semble protéger les cacaoyers.

[Voir Pervasive effects of a dominant foliar endophytic fungus on host genetic and phenotypic expression in a tropical tree - Luis C. Mejía1,2†, Edward A. Herre1*, Jed P. Sparks3, Klaus Winter1, Milton N. García1, Sunshine A. Van Bael1,4, Joseph Stitt5, Zi Shi2, Yufan Zhang2, Mark J. Guiltinan2 and Siela N. Maximova2*

1Smithsonian Tropical Research Institute, Unit 9100, USA - 2Department of Plant Science and The Huck Institutes of the Life Sciences, The Pennsylvania State University, University Park, PA, USA - 3Department of Ecology and Evolution, Cornell University, Ithaca, NY, USA - 4Department of Ecology and Evolutionary Biology, Tulane University, New Orleans, LA, USA - 5Social, Life and Engineering Sciences Imaging Center, Materials Research Institute, University Park, PA, USA ].

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Cabosses de gousses de cacao en bonne santé (à gauche) contenant des fèves de cacao enchâssés dans la chair blanche. Le champignon Phytophthora palmivora, qui provoque la pourriture des cabosses (à droite), est une menace constante pour les plantations à l’échelle mondiale. De gauche à droite : Chang / iStockphoto, Scot Nelson / Flickr

Natalie Christian, une étudiante de troisième cycle à l’Université d’Indiana à Bloomington, s’est rendue à l’Institut de recherche tropicale Smithsonian sur l’île de Barro Colorado Panama en 2014, pour étudier la façon dont l’ensemble des communautés de micro-organismes colonisent et influencent les plantes de cacaoyers (Theobroma cacao). Natalie Christian soupçonne que la principale source du microbiote d’un jeune cacaoyer serait les feuilles mortes et en décomposition de la forêt tropicale ou du verger.

Pour tester cette intuition et voir quel genre de microbes de protection les feuilles de la litière pourraient offrir, Natalie Christian a ramassé des plants de cacaoyer et les a élevé sans champignon dans un incubateur de laboratoire. Lorsque les plantes ont atteint environ un demi-mètre de haut, elle les a placés dans des pots à l’extérieur, el les entourant : certains avec de la litière de feuilles provenant d’un cacaoyer sain, certains avec une litière provenant d’autres types d’arbres et enfin d’autres sans aucune litière.

Au bout de deux semaines, elle a apporté les plantes de nouveau dans la serre pour analyser leurs microbiotes. Elle a trouvé près de 300 sortes d’endophytes, dont elle, Mejía et ses collègues ont rapporté l’année dernière les détails dans une publication dans les Proceedings of the Royal Society B (les Actes de la ‘Royal Society B’).

[Voir Exposure to the leaf litter microbiome of healthy adults protects seedlings from pathogen damage - Natalie Christian, Edward Allen Herre, Luis C. Mejia and Keith Clay - Published:05 July 2017 - https://doi.org/10.1098/rspb.2017.0641].

Les membres des microbiotes différaient selon les traitements de litière. Chez les plantes en pots, les résultats suggèrent que les cacaoyers élevés avec l’un ou l’autre type de litière de feuilles, possédait des microbiotes moins diversifiés que ceux élevés sans litière, probablement parce que les microbes présents dans la litière ont rapidement ont repris avant que les microbes errants ne puissent s’installer ailleurs. Ces résultats suggèrent qu’un plant élevé à l’ombre de plus d’arbres matures, accumulera probablement le même microbiote que ses imposants voisins.

Des réactions de défenses activées

Après les plantes de cacao aient été cultivées avec ou sans litière de feuilles autour de leurs racines, les scientifiques ont exposé les plantes aux champignons des cabosses et mesuré les dégâts de pourriture. Microbes de la litière à la base des cacaoyers, ont été les plus bénéfiques pour les plantes, mais même la litière mixte offrait une protection contre le champignon.

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Source : N. Christian et al / Proceedings of the Royal Society B 2017.

Pour voir si certains de ces microbes transférés protègent le cacaoyer d’organismes pathogènes, Natalie Christian a frotté un peu de pourriture des cabosses sur les feuilles des plantes dans chaque groupe. Trois semaines plus tard, elle a mesuré la taille des taches pourries.

Les plantes entourées de litière de cacaoyers avaient les lésions les plus petites. Celles qui avaient des litières d’autres arbres avaient un peu plus de dégâts, et les plantes sans litière avait environ le double des dégâts des plantes à litière mixte.

« Le fait d’exposer les jeunes plants à la litière de leurs parents ou de leur propre espèce, avait un très fort effet bénéfique sur la résistance de ces jeunes plantes », explique le biologiste végétal Keith Clay de l’Université Tulane à la Nouvelle-Orléans, co-auteur de l’étude.

Les scientifiques ne savent pas comment les bons champignons protègent les plantes contre la pourriture. Il se peut que les champignons bénéfiques prennent simplement l’espace sur les feuilles, ne laissant pas de place pour les microorganismes indésirables, dit Christian. Ou un microbe de protection comme C. Tropicale pourrait attaquer un agent pathogène par une sorte de guerre chimique. Dans le cas du cacaoyer, elle pense que l’explication la plus probable est que les bons microorganismes agissent comme une sorte de vaccin, un amorçage du système immunitaire de la plante pour combattre la pourriture. A l’appui de cette idée, Mejía a rapporté en 2014 dans la revue ‘Frontiers in Microbiology’ que C. tropicale entraîne le cacao à manifester une action de gènes défensifs.

Les producteurs de cacao peuvent avoir besoin de repenser leurs pratiques. Les agriculteurs éloignent normalement la litière de feuilles de leurs vergers pour éviter la transmission de microbes pathogènes à partir de la décomposition des feuilles aux arbres vivants, dit Christian, qui fait maintenant un postdoc à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. Mais son travail suggère que les producteurs pourraient bien faire en conservant au moins la litière des arbres sains, lorsqu’ils nettoient leurs déchets végétaux.

Questions sur les cultures

La litière est un moyen à faible technologie pour diffuser des communautés entières de microbes – bons et mauvais - mais les entreprises agricoles ne veulent garder que les bons microbes et les appliquer aux cultures. La chasse aux bons microorganismes commence par une promenade dans un champ de culture, dit. Barry Goldman, vice-président et chef de découverte chez ‘Indigo Ag’ à Boston. Il y a des chances que vous trouviez des plantes plus grandes et plus robustes parmi l’ensemble. Au sein de ces plus performants sujets, Indigo a trouvé des endophytes qui améliorent la vigueur des plantes et leur taille, et d’autres qui protègent les plantes contre la sécheresse.

La société, qui travaille sur le coton, le maïs, le riz, le soja et le blé, enrobe ses semences avec ces microbes. Une fois que les graines germent, les microbes recouvrent les feuilles de la jeune plantule et peuvent pénétrer à l’intérieur peut par des plaies dans les racines ou à travers les minuscules trous de respiration des stomates. Ce processus s’apparente à celui qui se passe lorsqu’un bébé traverse la filière génitale, ramassant en cours de route des partenaires microbiens bénéfiques.

Le traitement microbien des graines de coton par ‘Indigo Ag’ permet d’obtenir des plantes plus grosses et plus touffues dans des conditions de faible teneur en eau, comparativement aux plantes non traitées.

Ag Indigo

Par exemple, la première génération de blé Indigo, sortie en 2016, commence à partir de graines traitées par un microbe bénéfique. Dans les champs de test d l’état du Kansas aux Etats-Unis, le traitement a élevé les rendements de 8 à 19 pour cent.

Les agriculteurs signalent également une meilleure tolérance à la sécheresse. Au cours des six premiers mois de 2018 avec seulement deux séquences de pluies, les agriculteurs du Kansas participants avaient abandonné et labouré les champs devant la difficulté rencontrée avec leur blé, mais pas ceux qui élevaient du blé Indigo, dit Goldman.

A Saint-Louis, la société ‘NewLeaf Symbiotics’ s’est intéressée à des bactéries du genre Methylobacterium. Ces microbes, que l’on trouve dans toutes les plantes, sont connues sous le nom de méthylotrophes parce qu’elles consomment le gaz méthanol que les plantes libèrent lorsque leurs cellules se développent. En échange du méthanol, les méthylotrophes comme les nomme la société ‘NewLeaf Symbiotics’ offrent aux plantes divers avantages : certains fournissent des molécules qui stimulent la croissance des plantes ; certains activent la germination des semences et d’autres encore protègent les plantes contre des affections cryptogamiques.

‘NewLeaf Symbiotics’ a publié les résultats de ses premiers produits cette année, y compris ‘Terrasym 401’, un traitement des semences de soja. À travers quatre années d’essais sur le terrain, ‘Terrasym 401’ a permis des rendements élevés de plus de deux boisseaux par acre, dit Tom Laurita, co-fondateur et PDG de la société ‘NewLeaf Symbiotics’. Un boisseau correspond à environ 9 US $, et cela est réalisé sur des fermes de plusieurs milliers d’hectares !

Les agriculteurs sont heureux, mais ces travaux de ‘NewLeaf Symbiotics’ et d’Indigo ont à peine débuté. Les entreprises qui s’intéressent au microbiotes végétaux sont tous confrontés à des défis similaires. L’un de ceux-ci a trait aux divers milieux où les plantes sont cultivées. Tout simplement parce que le blé Indigo qui se développe bien dans l’état du Kansas, ne signifie pas qu’il sera également adapté avec les variétés standard qui sont produites dans le Dakota du Nord. « La grande question pour la prochaine génération des entreprises de biotechnologies agricoles comme AgBiome ou Indigo ... est de savoir si les produits élaborés vont donner donnent les résultats annoncés dans une large gamme de conditions naturelles sur le terrain », dit Dangl.

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Lorsqu’elles sont pressées contre une plaque de milieu nutritif qui soutient les microbes mangeurs de méthanol, une feuille de soja laisse des taches sur les bactéries en croissance, ce qui peut aider à la croissance de plantes plus robustes. NewLeaf Symbiotics/

Un autre problème réside dans le fait que des champs de cultures et des plantes cultivées disposent déjà de microbiotes favorables. « Nous demandons beaucoup à un microbe, ou à un mélange de microbes, d’envahir un écosystème et d’y persistent faire leur travail », dit le chercheur Dangl et il faut encore s’assurer que leurs microbes préférés et importés vont bien s’imposer.

t alors que les scientifiques sont bien conscients que les communautés microbiennes diverses coopèrent pour influer sur la santé des plantes, la plupart des entreprises travaillent avec une sorte paticulière de microbe à un moment donné. Indigo ne sait pas encore comment aborder les microbiotes dans leur ensemble, dit Gold, mais « nous nous en préoccupons fermement et activement ».

Les chercheurs commencent à répondre à ces questions en étudiant les microbes dans des communautés - comme les microbiotes de la litière de feuilles de Christian, au lieu de ne travailler que sur les individus d’un seul microbe au laboratoire. Dangl a mis au point une communauté synthétique de 188 microbes souches qu’il peut appliquer aux plantes soumises à un stress comme la sécheresse, ou les chauffer, puis observez comment les communautés réagissent et affectent les plantes.

Un objectif majeur est d’identifier les facteurs qui déterminent l’appartenance du microbiote. Qu’est-ce qui décide qui obtient une place sur une plante donnée ? Comment l’espèce végétale et son environnement local influent-ils sur le microbiome ? Comment les plantes accueillent-elles les microbes favorables et éjectent-elles les microbes hostiles ? « Ceci est un vaste sujet et de grande importance », explique Dangl.

Il y a un certain risque à ajouter des microbes aux cultures alors que ces questions sont encore sans réponse, met en garde Mejía. Des microbes qui sont bénéfiques dans une situation donnée, pourraient être nuisibles sur d’autres plantes ou dans des environnements différents. Ceci n’est pas un scénario tiré par les cheveux : il y a un champignon endophyte d’un palmier sud-américain qui repousse les infestations par des dendroctones [un petit coléoptère xylophage] lorsque les arbres sont à l’ombre. Cependant, sous le soleil, le champignon émet du peroxyde d’hydrogène qui est capable de tuer les tissus végétaux.

Et bien que C. Tropicale soit bénéfique pour le cacaoyer, ce genre de champignon a aussi un côté sombre : de nombreuses espèces de Colletotrichum spp. peuvent causer des lésions sur les feuilles et des pourritures sur des fruits ou encore des taches sur les chez de fleurs dans une large gamme de plantes allant des avocatiers aux zinnias…

Des microbes pour la conservation des espèces

Revenons à Hawaii, après la randonnée décourageante à la station de P. kaalaensis moribonde et à Zahn qui a réfléchit sur la façon de protéger les plantes indigènes dans des environnements sauvages tels que les montagnes d’Oahu sur l’île de Hawaii.

Chez les personnes humaines, Zahn a considéré que les antibiotiques peuvent endommager les populations microbiennes de l’intestin normal, laissant une personne vulnérable à l’infection par des microbes nocifs. L’espèce végétale P. kaalaensis a eu un traitement similaire dans la serre, où il a reçu un dosage régulier de fongicide. En rétrospective, Zahn a réalisé que le traitement avait probablement vidé les plantes de leur microbiote privé naturel et affaibli leur système immunitaire, les laissant ainsi vulnérables à l’infection au mildiou, une fois implanté dans la jungle.

Pour les personnes traitées avec un antibiotique, les probiotiques - bactéries bénéfiques – peuvent eut aider à rétablir l’équilibre et Zahn a pensé à une stratégie similaire, une sorte de probiotique des plantes, qui pourrait aider à protéger P. kaalaensis dans des tentatives futures pour le disséminer à l’extérieur.

Pour un identifier un probiotique, Zahn a examiné un cousin de P. kaalaensis : Phyllostegia hirsuta qui peut survivre dans la nature. Il a mis les feuilles de ce dernier dans un mélangeur et pulvérisé la décoction sur P. kaalaensis élevé dans un incubateur.

Ensuite, Zahn placé une feuille infectée par l’oïdium dans la prise d’air de l’incubateur. Les plantes de menthe P. kaalaensis traitées avec la suspension de P. hirsuta ont connu un retard dans l’infection, des infections moins sévères par rapport aux plantes non traitées, comme Zahn et Amend, également à l’Université d’Hawaii à Manoa, l’ont signalé l’année dernière dans la revue scientifique ‘PeerJ’ : le probiotique avait bien fonctionné.

Zahn a utilisé le séquençage de l’ADN pour identifier les microbes dans la boue. Un grand nombre des membres du microbiote bénéficient probablement à l’espèce P. kaalaensis, mais il pense qu’il a trouvé un protecteur majeur : une levure appelée Pseudozyma aphidis qui vit sur les feuilles. « Cette levure absorbe normalement juste passivement les nutriments de l’environnement », dit Zahn. Mais en lui proposant une victime appropriée, la levure se transforme en un monstre visqueux et vicieux. « Quand des spores de moisissure se manifestent à proximité, la levure développe des filaments tentaculaires qui semblent envelopper et se nourrissent de la moisissure.

[Voir Biological control of the cucurbit powdery mildew pathogenPodosphaera xanthiiby means of the epiphytic fungusPseudozyma aphidisand parasitism as a mode of action - Aviva Gafni1, Claudia E. Calderon1, Raviv Harris1, Kobi Buxdorf1, Avis Dafa-Berger1, Einat Zeilinger-Reichert2 and Maggie Levy1*

1Plant Pathology and Microbiology, Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel - 2The Interdepartmental Equipment Facility, The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel ].

Enhardi par ses résultats, Zahn est retourné en randonnée dans la jungle et a planté six plantes traitées avec de la boue en avril 2016 : ces plantes ont survécu pendant environ deux ans, mais en mai 2018, elles étaient tous mortes.

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L’oïdium attaque Phyllostegia kaalaensis (à gauche), empêchant la plante de s’implanter à l’état sauvage. Mais une levure bénéfique (tiges, à droite) trouvée sur la feuille d’une autre espèce de Phyllostegia envoie des filaments qui attaquent le mildiou (goutte dans l’insert) et elle est capable de protéger les plantes. Photos : G. Zahn and A. Amend/PeerJ 2017.

« Ce fut encore une grande victoire », explique Nicole Hynson, un écologiste communautaire basé aussi à Manoa. Après tout, P. kaalaensis sans probiotiques végète quelques mois seulement. Et l’approche des probiotiques pourrait s’appliquer au-delà de la petite histoire d’une menthe hawaïenne, Nicole Hynson ajoute : « Nous en sommes vraiment au début de notre réflexion sur la manière dont nous pourrions utiliser le microbiote pour traiter de la restauration des plantes menaces de disparition ».

Zahn a depuis déménagé à l’Université de l’Utah Valley à Orem, où il espère aider les cactus mis en danger par des microbes. Pendant ce temps, il a quitté le projet Phyllostegia qui est maintenant dans les mains de Jerry Koko, un étudiant diplômé dans le laboratoire de Hynson. Koko étudie comment la levure et certains champignons vivants sur des racines peuvent protéger des plantes.

Hynson affirme que leur objectif est de créer « une super plante ». Avec des probiotiques sur les racines et les pousses, un P. kaalaensis amélioré devrait être en mesure de devenir plus fort et de résister au mildiou. Selon Koko, jusqu’à présent, dans les expériences en serre, les plantes contenant les deux types de champignons bénéfiques semblent porter moins de taches de mildiou, plus petites, que les plantes n’ayant reçu aucun traitement probiotique.

Bien que la restauration d’une petite plante à fleurs sur un île ou l’obtention de quelques boisseaux de soja en plus, puisse sembler n’être qu’une petite victoire, elles pourraient annoncer de grandes choses pour les microbiotes de plantes, aussi bien pour la conservation des espèces dans la nature que pour de nouvelles pratiques en ’agriculture. Les agriculteurs et les défenseurs de l’environnement du futur risquent de se retrouver à semer et à s’occuper non seulement des plantes, mais aussi de leurs aides inattendus : des organismes microscopiques bénéfiques.

Cet article est paru le 15 septembre 2018 dans numéro de ‘Science News’ sous le titre ’Plant partners : Scientists are tinkering with plant microbiomes to feed the world and save endangered species’ [Partenaires des plantes : des scientifiques bricolent avec des microbiotes végétaux pour tenter de nourrir les habitants du monde et sauver les espèces en voie de disparition ».

Citations

N. Christian et al. Exposure to the leaf litter microbiome of healthy adults protects seedlings from pathogen damage. Proc Biol Sci. Vol. 284, July 12, 2017. doi:10.1098/rspb.2017.0614.

L.C. Mejía et al. Pervasive effects of a dominant foliar endophytic fungus on host genetic and phenotypic expression in a tropical tree. Front Microbiol. Vol. 5, September 12, 2014. doi:10.3389/fmicb.2014.00479.

G. Zahn and A.S. Amend. Foliar microbiome transplants confer disease resistance in a critically-endangered plant. PeerJ. Vol. 5, November 10, 2017. doi:10.7717/peerj.4020.

Further Reading - Lectures complémentaires

C. Samoray. Plants trick bacteria into attacking too soon. Science News. Vol. 189, February 20, 2016, p. 5.

H. Thompson. A vineyard’s soil influences the microbiome of a grapevine. Science News Online. March 25, 2015.

T.H. Saey. Defense hormones guide plant roots’ mix of microbes. Science News. Vol. 188, August 22, 2015, p. 14

S. Milius. They’re all part fungus. Science News. Vol. 169, April 15, 2006, p. 231.

S. Milius. Sweet Lurkers : Cryptic fungi protect chocolate-tree leaves. Science News. Vol. 164, December 13, 2003, p. 374.

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Annexe sur les microbiotes des êtres vivants

Contenu de cette annexe

1. Le microbiote selon Wikipédia

2. Microbiote des végétaux d‘après Wikipédia

3. Des aspects méconnus du microbiote bactérien Par Hervé Ratel

4. Le voyage des microorganismes à travers les générations de plantes Par AHLeGall

5. VIDEO - ’Interactions plantes-microorganismes à travers quelques exemples’ - Conférence de Claire OLIVE - Par Marie DELAHAYE

6. Autres articles d’actualité sur les microbiotes

7. Accès à nos autres articles postés sur ISIAS et traitant des microbiotes

1.
Le microbiote selon Wikipédia

Le microbiote est l’ensemble des micro-organismes (bactéries, microchampignons, protistes, virus) vivant dans un environnement spécifique (appelé microbiome) chez un hôte (animal : zoobiote ; végétal : phytobiote ; aérien : aérobiote) ou une matière (d’origine animale ou végétale).

Photo - Escherichia coli, l’une des espèces bactériennes sous-dominantes du microbiote intestinal

Photo - Candida albicans est l’un des nombreux champignons qui peut naturellement se développer dans l’intestin, contribuant à la digestion, mais pathogène s’il se surdéveloppe ou colonise d’autres organes.

Photo- Toute croissance anormale de cet organisme (Clostridium difficile) est nuisible, voire fatale pour l’hôte.

Les moyens techniques permettant d’étudier le microbiote ont longtemps été limités, seule une minorité d’espèces bactériennes pouvant être cultivée in vitro. La mise au point des techniques de séquençage haut débit du matériel génétique à partir de 2005 ont donné un nouvel élan à cette recherche, avec la construction de banques de clones métagénomiques contenant de grands fragments du métagénome intestinal1. Cette technique a notamment remis en cause le nombre de micro-organismes qui était estimé dans les années 1970 à dix ou cent fois le nombre moyen de cellules de l’organisme humain. Une étude en 20162 évalue le microbiome (constitué essentiellement du microbiote intestinal humain) à environ 39 000 milliards de bactéries et celui des cellules du corps humain moyen à environ 30 000 milliards, le rapport se rapprochant ainsi de 1:1 plutôt que de 10:1 ou 100:1. Chaque humain abriterait 200 à 250 espèces différentes de bactéries3. Ces caractéristiques justifient que le microbiote intestinal, couramment appelé « flore intestinale », soit considéré comme un organe spécifique, et que l’homme symbiotique soit surnommé Homo microbicus4.
Au même titre que le microbiote intestinal (et plus généralement du microbiote de l’organisme humain), il existe également un microbiote chez les végétaux5, et par extension un microbiote du sol (de la rhizosphère notamment6) et de la surface des fruits7 et de l’océan, mais le mot « microbiote » est le plus souvent utilisé pour les animaux.

Un autre pan de la recherche in vivo porte sur les animaux ou les végétaux dont le microbiote est contrôlé puisqu’ils sont étudiés dans un environnement sans bactéries dit gnotobiotique (gnotos, « connu », biota, « biote »)8. La science qui les étudie est la gnobiologie9.

La théorie hologénomique de l’évolution (en) postule que les forces évolutives agissent sur l’holobionte (animal ou plante associé à leurs micro-organismes) et que le devenir évolutif des symbiotes est lié à celui de l’hôte.

La plupart des recherches n’ont pas dépassé le stade exploratoire et les connaissances dans ce domaines ne sont pas scientifiquement établies. Si ces hypothèses scientifiques ouvrent des pistes prometteuses, elles font flamber l’imaginaire de chacun, notamment sur le microbiote intestinal humain et sur le ventre dans la mesure où ce dernier est essentiellement valorisé et approprié dans le circuit de la vulgarisation sans plus de nuances comme étant « le deuxième cerveau »10… Article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Microbiote .

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2.
Microbiote des végétaux d‘après Wikipédia

Le microbiome de la plante peut être compartimenté en rhizosphère (microbiote au niveau de la racine), endosphère (microbiote endophytique) et phyllosphère (microbiote au-dessus du niveau du sol). Voir le schéma explicatif ici

Trois photographies diachroniques (2002, 2006 et 2015) montrant la croissance de saules et peupliers (espèces pionnières) au bord de la rivière Snoqualmie (Ouest de l’État de Washington), sur bancs de galets et sables. Ces arbres poussent spontanément et vigoureusement bien que situés sur un substrat oligotrophe et carencé en azote.
Sharon L. Doty et al., dans une étude de 20161 montrent qu’une part du microbiote est formé non pas de bactéries et champignons rhizosphériques mais de bactéries endophytes diazotrophes de l’intérieur des branches, qui aident efficacement à capter l’azote ambiant (et non directement bioassimilable par les végétaux).

Le microbiote des plantes est le microbiote constitué de la communauté de micro-organismes bactériens et fongiques plus ou moins mutualistes ou symbiotiques, associée à la plupart des plantes2 :

• une partie du microbiote, dite « rhizosphérique » est intimement associée aux racines ;
• une autre part est externe (épiphyte, c’est-à-dire sur les écorces, les tiges et les feuilles des plantes3 ; dans ce dernier cas, les micro-organismes symbiotes sont presque toujours uniquement en surface immédiate de la feuille dite « phyllosphère » ou de la tige dite « caulosphère », ou des micro-habitats spécifiques comme l’anthosphère pour les fleurs, la carposphère pour les fruits et la spermosphère pour les graines).
• une dernière part, composée de micro-champignons ou de bactéries endophytes (endosphère), vit pour tout ou partie à l’intérieur des feuilles ou de certaines cellules végétales (dans les céréales notamment).
  Le microbiome de la plante est appelé phytobiome.

Ce microbiote est étudié depuis au moins les années 19504 et fait l’objet de nombreuses découvertes.

C’est ainsi qu’une partie du microbiote des plantes, découverte en 2009 et 20161, est cachée dans la portion aérienne des arbres, dans les aiguilles des essences pionnières résineuses et dans les branches d’arbres des Salicaceae (saules (Salix sp.)5 et peupliers (Populus sp.). Elle explique que ces taxons peuvent croitre facilement sur des substrats pourtant très pauvres et notamment carencés en azote bioassimilable1.

L’un des enjeux d’une meilleure connaissance du microbiote des végétaux est de l’utiliser comme allié en agriculture, voire pour la dépolluer des sols ou de l’eau (pollution azotée en particulier, responsable de l’acidification et de l’eutrophisation et d’un appauvrissement de nombreux habitats et écosystèmes).

Historique des découvertes

De nombreux types de symbioses entre organismes sont connus et semblent faire partie des mécanismes importants de l’évolution et de la sélection naturelle6.

La mycologie et la botanique ont depuis plusieurs décennies montré que le système racinaire des plantes abrite des symbioses complexes et souvent vitales (avec des champignons et des bactéries principalement, externes ou endophytes, internes). Ces symbioses permettent notamment aux végétaux de mieux capter l’azote comme nutriment mais elles présentent aussi de nombreux autres avantages pour les plantes (et leurs symbiotes).

Bactéries fixatrices d’azote dans les racines

Des bactéries fixatrices d’azote ont d’abord été trouvées et étudiées dans les nodules racinaires développés par les légumineuses (Fabacées) puis, à l’intérieur même de certaines plantes alors dites actinorhiziennes (abritant des actinomycètes dans des structures actinorhizes). Ce type de symbioses - envisagées d’abord associées aux racines7 puis aux aiguilles de certains résineux8 permet à certains végétaux d’avoir une croissance plus rapide, voire très rapide, en particulier chez des espèces ou variétés de grand intérêt agricole9, commercial et alimentaire comme la (canne à sucre10).

Élagage naturel

L’élagage naturel implique l’activité d’une communauté microbienne saproxylophage qui décompose les branches mortes. Plusieurs études mettent en évidence la diversité taxonomique de ce groupe d’« élagueurs » : Stereum gausapatum, Vuilleminia comedens (en), Peniophora quercina, Phellinus ferreus (en), Phlebia rufa sur les branches de chênes ; Daldinia concentrica, Hypoxylon rubiginosum, Peniophora lycii et Peniophora quercina sur celles de frêne11,12.

Découvertes d’un endomicrobiote aérien chez les végétaux

Jusqu’en 2010, les endosymbioses bactériennes fixatrices d’azote n’étaient connues avec certitude que chez les graminées tropicales ou certains arbres, mais uniquement au niveau racinaire ou en situation d’épiphytes, sur les feuilles. Ces endosymbioses bactériennes étaient auparavant soupçonnées dans les parties aériennes de quelques essences d’arbres1.

Au début du XXIe siècle, des chercheurs intrigués par la capacité de certaines essences pionnières à s’enraciner et à grandir rapidement dans des substrats trop pauvres pour leur offrir une quantité suffisante d’azote ont soupçonné qu’il existait aussi des endosymbioses aériennes chez les certains arbres (pins, robiners et aulnes) avec des effets d’abord uniquement expliqués par des réactions de dénitrification13,1.

Deux études récentes (2012 et 2016) montrent que des résineux croissant sur des substrats rocheux très pauvres en azote pouvaient également abriter à l’intérieur de leurs aiguilles des colonies de bactéries fixatrices d’azote ; il s’agit des essences américaines du Pin tordu (Pinus contorta)8, du Thuya géant (Thuja plicata)14 dont certains tissus abritent des bactéries des genres Paenibacillus et Dyadobacter, fixatrices d’azote15 et du Pin flexible (Pinus flexilis)16.

Composition (de la communauté associée)

Photo - Mycélium du champignon Amanita muscaria en symbiose (ectomycorrhize) avec la racine d’un pin américain (Pinus radiata)

Photo - Mycélium (blanc) de champignon ectomycorhizien associé aux racines (brunes) de Picea glauca en condition aérobie

Photo - Détail d’un manchon ectomycorhizien

Photo - Gainage par des bactéries filamenteuses d’une racine subaquatique d’aulne

• Fonge : la plupart des espèces végétales terrestres ont une ou plusieurs espèces de champignons qui les mycorhizent.
• Bactéries : selon les données disponibles au début des années 2010, la diversité taxonomique des bactéries du microbiote est relativement réduite, avec composition phylogénétique se résumant à quelques embranchements bactériens avec pour la rhizosphère notamment Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes & Proteobacteria17.
  Fonctions

Les animaux sont associés à un microbiote interne et externe qui semble toujours principalement bactérien bien qu’il abrite également des champignons et des protozoaires et quelques organismes parasites ou commensaux (qui aident généralement leurs hôtes à mieux vivre). Ce microbiote influence notamment l’efficacité de la nutrition et la qualité du système immunitaire vital pour la santé de l’hôte. Comme chez les plantes18, cette association se réalise avec d’autres communautés et quelques spécificités.

Comme les animaux et toutes les espèces connues, les plantes ont besoin d’un nutriment vital : l’azote (N). Elles ne peuvent cependant pas l’utiliser sous sa forme N2 la plus commune (plus de 75 % de l’air), elles doivent le capter dans l’environnement sous forme de nitrates principalement mais il y est parfois rare. Au cours de l’évolution et de la co-évolution entre les plantes et les micro-organismes abondamment présents dans les sols, la plupart des plantes ont développé des relations symbiotiques en s’associant certaines bactéries, capables en milieu anoxique ou appauvri en oxygène, de transformer l’azote de l’atmosphère (présent dans un sol suffisamment aéré) en azote biodisponible. Elles le font via un enzyme, la nitrogenase que les plantes ne peuvent biosynthétiser et qui ne fonctionne qu’à l’abri de l’oxygène1.

Ce microbiote végétal rend certaines plantes plus tolérantes au sel, aux températures extrêmes et, permet la production de vitamines et phytohormones pour un meilleur captage des oligoéléments, augmente leur résistance à certains microbes pathogènes, détoxifie certains polluants (dans la plante et aussi le sol) et, augmente fortement la capacité des végétaux à prélever des nutriments dans le sol, l’air et/ou l’eau17,19,20,21 et par suite à décolmater le sol de leurs exsudats et de leur nécromasse, de l’enrichir au profit de l’humification, du captage de carbone (puits de carbone) et plus généralement de la biodiversité des sols (pédoflore et pédofaune) et de la biosphère.

Enjeux

Mieux connaitre et comprendre ces symiboses est un enjeu dans de nombreux domaines.

Services écosystémiques

• les espèces pionnières comme le saule et peuplier offrent d’importants services environnementaux pour l’eau, l’air, les sols, les puits de carbone, les paysages, le tourisme, etc.22. Les symbiotes microbiotiques permettent à certains arbres de pousser plus en altitude (jusqu’au niveau de la fonte des neiges parfois - en limite supraforestière), et secondairement ils permettent ainsi à une espèce ingénieur comme le Castor de coloniser des milieux situés plus en altitude, (le castor fiber était autrefois présents en France jusqu’à 2000 m d’altitude selon des données paléontologiques) et d’y édifier ses barrages qui contribuent à réguler le flux de l’eau ainsi qu’à offrir de nouveaux milieux propices à la biodiversité [38, 39].
• les endosymbioses aériennes récemment découvertes dans les branches d’arbres peuvent améliorer la ressource en bois-énergie, biomasse-énergie toute en contribuant à réguler la teneur de l’air en azote (eutrophisant et acidifiant des pluies) et en améliorant les puits de carbone d’altitude. Ce microbiote est donc aussi un enjeu pour les questions de gestion, restauration et protection de la nature 23.
• la stabilisation de phénomènes d’érosion des sols : de 2010 à 2012, plusieurs études ont porté sur l’identification du microbiome de Populus deltoides et du peuplier hybride, et sur son implication dans la promotion de la croissance de ces arbres, y compris en milieu pollué24,25,26,27,28.
• dépollution de sols dégradés ou vulnérables : dans la nature, le peuplier P. trichocarpa peut prospérer sur des substrats neufs et presque dépourvus d’azote et de sol, là où la fonte de neiges alpine a érodé le sol et déposé des galets et du sable29, comme en zone rivulaire de la Snoqualmie River30 où le sol est presque exclusivement minéral (sable et galets) et où l’eau est naturellement très pauvre en azote (0,15 mg d’azote sous forme NO3- et 0,30 mg sous forme de NH4- par litre d’eau en 2011). On avait d’abord pensé que ce peuplier était capable d’exploiter au mieux la matière organique en place et notamment l’azote organique du milieu, mais ce milieu en est presque exempt. Une bactérie endophyte (Rhizobium tropici) a d’abord été observée à l’intérieur de peupliers hybrides cultivé en serre (dans des substrats hydroponiques ou de gélose préparés pour qu’ils ne contiennent pas d’azote). Puis plusieurs autres espèces endophytes diazotrophes ont été isolées à partir de peuplier sauvage dans une zone riveraine naturelle dominée par des galets31 (les bactéries ont été extraites de l’intérieur d’échantillons de branches d’abord préalablement désinfectés sur toute leur surface). En inoculant ces endophytes elles se sont montrées être des symbiotes efficaces chez d’autres espèces et familles de plantes, dont chez des graminées32, le maïs33, le riz34, et d’autres plantes cultivées aussi différentes que la tomate, le poivron, la courge ou encore l’herbe utilisée pour les gazons35 (ce qui pourrait intéresser les propriétaires de golf qui dépensent beaucoup d’argent en engrais et pesticides (Cf article Golf et environnement). Toutes ces plantes ont montré après inoculation une meilleure croissance et une bonne santé dans de mauvaises conditions nutritives (sol carencé en azote). Ces bactéries endophytes ont ainsi permis de doubler le rendement de deux variétés de tomates inoculées, et la teneur en azote foliaire des feuilles de plants de ray-grass expérimentalement inoculés a augmenté (jusqu’à + 26 %) et jusqu’à 6 fois pour l’azote racinaire35.
• Dépollution de l’eau par les plantes ; le microbiote de végétaux aquatique (hélophytes ou arbres tels que l’aulne) contribue à mieux « pomper » l’azote qui est un eutrophisant problématique de l’eau. Une partie de ce microbiote semble aussi capable de minéraliser certains surfactants qui sont d’autres polluants préoccupants de l’eau36
  Agriculture

Agriculture de façon large : La culture sélective des plantes constitue un enjeu majeur depuis l’émergence de la pratique agricole, il y a plusieurs milliers d’années.

• De nombreuses études ont porté sur l’amélioration de la productivité des céréales et notamment du blé37,1 ;
• santé environnementale ; elle passe par le bon état des écosystèmes, et donc notamment de l’arbre, des ripisylves des haies et des forêts (touchées depuis quelques décennies par des maladies émergentes) ; les arbres étant condamnés à une immobilité relative, leurs symbioses microbiennes leur sont particulièrement vitales. Comprendre ce phénomène et quelles sont les bactéries impliquées pourrait conduire à améliorer la productivité agricole. Le microbiote récemment découvert chez certains arbres pionniers, leur permet de pousser sur des sols considérés comme particulièrement infertiles (oligotrophes) en améliorant localement le puits de carbone, en protégeant les sols1.
• une certaine agriculture pourrait devenir moins dépendante des engrais azotés de synthèse, au profit d’une façon plus naturelle de stimuler la productivité de plantes cultivées (Cf. permaculture). En effet, le microbiote rhizosphérique peut suppléer à une partie significative de l’azote aujourd’hui apporté par des engrais de synthèse38. Il a été montré que les communautés microbiennes isolées sur les branches du peuplier Populus trichocarpa et de saules en situation pionnière sur des sols pauvres en azote, se sont aussi montrées capables d’aider le maïs, la tomates et le poivrons comme les graminées et des arbres de la forêt à croître avec moins d’engrais1.
  Sylviculture :

• Domaine des bioénergies : bouleaux, saules et peupliers ne sont pas les bois les plus intéressants énergétiquement (en termes de biomasse énergie), mais ils sont parfois utilisés pour la bioénergie ainsi que par la filière bois-matériau1.
• sylviculture & agrosylviculture ; Il est maintenant démontré que des bactéries endophytes diazotrophes peuvent être prélevées à l’intérieur de tiges d’espèces sauvages, et inoculées à d’autre espèces : Ceci a été expérimenté à partir de peupliers sauvages avec des bactéries prélevées, cultivées et inoculées chez des peupliers hybrides élevés en conditions contrôlée (sous serre). Cette inoculation a entraîné une augmentation de la teneur totale en chlorophylle des feuilles et de la teneur totale en azote des racines. Chez les plantes inoculées, il a été estimé que 65 % de leur azote provenait d’une fixation biologique de l’azote atmosphérique39.
• néo-boisements et reforestation ; On a déjà montré que l’inoculation de micro-organismes symbiotes de la rhizosphère pouvait faciliter l’installation et la croissance d’arbres1 ou d’autres plantes40,41.
  L’inoculation en pépinière de certaines bactéries à certaines essences d’arbres pourrait peut-être permettre de diminuer les taux d’échecs de nombreux projets de restauration de sols et de ceintures vertes et boisements en zone aride (sahélienne notamment) ou salinisée, ce qui pourrait être une alternative efficace et moins coûteuse et socialement plus acceptable que la transgenèse déjà testée dans cette perspective.
  Perspectives et pistes de recherche

Les conditions favorisantes (ou au contraire inhibantes) des associations optimales de plante avec un microbiote spécifique sont encore très mal comprises, en particulier pour les endosymbioses. Cette question intéresse tant les sciences fondamentales que la recherche appliquée.

Mieux connaitre le devenir et le rôle éventuel des bactéries et champignons ainsi « captés » par la plante, par exemple lors de l’utilisation de mulch ou dans le cadre de phénomènes de résilience écologique observés avec l’utilisation de bois raméal fragmenté ou lors de certaines colonisation ou régénérations forestières (post-tempête ou suivant certaines coupes rases ou incendies de forêt42) sont des questions d’intérêt scientifique, mais également intéressantes pour le génie écologique et toutes les techniques de cultures de végétaux aériens ou de l’estran (Les plantes aquatiques marines de la zones de l’estran, Fucaceae par exemple, pourraient également présenter des symbioses d’intérêt).

Des études pluridisciplinaires associant la botanique, la génétique des plantes, la pédologie et la microbiologie des sols, l’écologie, devraient permettre de mieux comprendre les phénomènes de fixation rapide de l’azote atmosphérique43, et leur importance relative dans le cycle de l’Azote et éventuellement les utiliser au profit d’activités humaines plus soutenables à l’égard de l’environnement13. La Recherche porte aussi sur l’identification de probiotiques utilisables pour les cultures de végétaux44.

Ces études39,1 ont montré sans ambigüité qu’il peut être avantageux d’inoculer certains végétaux cultivés par des endophytes provenant de la même espèce, et même d’autres espèces, mais on ignore encore si (et dans quelle mesure) la quantité d’azote fixé par les peupliers sauvages dépend aussi de la composition, densité et répartition de son microbiote naturel.
De plus, pour identifier les bactéries testées, on les met habituellement d’abord en culture (sur trois types de médiums différents dans l’étude évoquée ci-dessus), ce qui fait qu’on ne connait (et qu’on n’a testé) que des bactéries « cultivables » (qui ne sont peut-être pas les plus performantes). Enfin, si les tests d’inoculations sur d’autres plantes (dont d’autres espèces) ont clairement montré que ces bactéries étaient responsables d’une meilleure fixation de l’azote, il est possible qu’il en existe d’autres non encore repérées1. Il est utile d’également comprendre comment dans la nature une graine ou un très jeune plant sont « colonisé » par ses futures bactéries endosymbiotes (la plante attire-t-elle par des signaux biochimiques des bactéries et champignons « amis » comme elle attire des pollinisateur par des couleurs, odeurs, aliments ?). On ignore si les endobactéries doivent être présentes dès les premiers jours de vie de la graine ou de la bouture, ou si elles peuvent ensuite (et comment) encore être intégrées via les racines, l’écorce, les fleurs, les feuilles ou via des blessures… ou dans quelle mesure certains insectes ’piqueurs-suceurs’ (ou d’autres espèces, dont herbivores (élan par exemple) et rongeurs (castor par exemple) ou pollinisateurs pourraient (ou non) aussi jouer un rôle de « disperseur  » et d’« inoculateur  » de ces bactéries d’une espèces à l’autre ou d’un individu à l’autre.

Le microbiote comprend aussi des bactéries qui peuvent dans certaines conditions devenir pathogènes voire mortelles pour la plante (ou pour l’homme comme les salmonelles45). Certaines associations qui semblent délétères pour la plante46 doivent aussi être mieux comprises.

On cherche aussi à mieux comprendre comment le système immunitaire et le génome d’une plante ’choisissent’, ’invitent’ ou ’acceptent’ ces organismes symbiotes (y compris sur les surfaces foliaires)47, et comment le microbiote interfère dans les relations entre des plantes d’espèces différentes et entre individus végétaux d’une même espèce 48, de même que le rôle du microbiote dans la décomposition des feuilles mortes et le recyclage des éléments qu’elles contiennent49.

Le microbiote des plantes est - sans surprise - vulnérable aux fongicides et aussi à de nombreux autres biocides dont certains sont des polluants émergents non-biodégradables, comme le Nano-argent50.

La recherche porte aussi sur le rôle évolutif du microbiote des plantes via l’étude de la théorie hologénomique de l’évolution (en)51.

Article complet avec notes et références : https://fr.wikipedia.org/wiki/Microbiote_des_v%C3%A9g%C3%A9taux

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3.
Des aspects méconnus du microbiote bactérien Par Hervé Ratel le 29.11.2017 à 13h45 – Document ‘Sciences et Avenir’ - Photo - Gros plan en microscopie électronique de la tête d’une mouche Calliphoridae ou ’mouche verte et bleue’. Ana Junqueira & Stephan Schuster.

Stimuler le cancer ou propager des maladies. Deux études mettent en lumière des aspects méconnus du microbiote bactérien.

Quel point commun entre diptères et cancer ? Réponse : le microbiote, cette collection de bactéries qui colonise tout être vivant. Depuis quelques années, son importance a été de plus en plus réévaluée à la hausse au fur et à mesure des découvertes le mettant en cause. Le plus souvent, ces études sont positives et démontrent le rôle majeur que la flore intestinale entretient avec notre bonne santé. Mais ce n’est pas toujours le cas. Preuve en est avec deux travaux récents, l’un sur le cancer, l’autre sur les épidémies.

Le premier est publié dans le journal Science et est l’œuvre de chercheurs américains dirigés par Matthew Meyerson, de l’école médicale de Harvard (Boston, EU). Il montre que la bactérie Fusobacterium nucleatum présente dans les tumeurs primaires de patients atteints d’un cancer colorectal se retrouve également dans leurs tumeurs secondaires, métastatiques. Ce n’est pas la première fois que l’on retrouve chez ce type de cancers une bactérie maligne. Des travaux menés par une équipe texane avaient démontré en juin dernier dans la revue Plos Pathogens, la présence de Streptococcus gallolyticus. Plus inquiétant, avaient découvert les chercheurs, la bactérie était capable d’activer le développement de tumeurs du côlon en stimulant la prolifération de lignées cancéreuses.

Une piste médicinale en vue ?

L’équipe de Meyerson est allée un peu plus loin en mesurant la présence bactérienne dans les sites métastatiques et plus seulement dans la tumeur initiale. Et, non seulement les métastases abondent en bactéries pathogènes mais les chercheurs ont trouvé une corrélation entre ces dernières et la taille de la tumeur : plus elle est grosse, plus la bactérie Fusobacterium est présente en nombre. L’administration d’un antibiotique a d’ailleurs permis de réduire l’abondance de celle-ci et a ralenti la croissance tumorale. Une piste médicinale en vue ? Les chercheurs le suggèrent.

Des centaines d’espèces de bactéries différentes, dont la plupart sont dangereuses pour l’être humain

La seconde étude met en lumière le rôle essentiel joué par le microbiote des mouches dans la propagation d’une maladie. Stephan Schuster et son équipe de l’université d’Etat de Pennsylvanie (EU) ont analysé le microbiote de 116 espèces de diptères. Le résultat fait froid dans le dos. Dans beaucoup de cas, non seulement les animaux hébergent plusieurs centaines d’espèces de bactéries différentes, mais la plupart d’entre elles se sont révélées dangereuses pour l’être humain. Plus inquiétant, les endroits du corps de la mouche qui contiennent le plus de variétés sont les pattes et les ailes, faisant de l’insecte un véritable bombardier bactériologique. Lorsqu’elle vole et plus encore quand elle se pose, la mouche relargue une fine pellicule de bactéries pathogènes qui ne demanderont qu’à se multiplier.

Cette étude est la première du genre à analyser le contenu microbien de mouches. Incidemment, elle pourrait répondre à une question qui agite les chercheurs depuis les années 1980 : qui transmet Helicobacter pylori, la bactérie responsable des ulcères à l’estomac ? Jamais les mouches n’avaient été soupçonnées. Pourtant, les chercheurs ont retrouvé la bactérie dans une quinzaine d’individus, signe que cet insecte pourrait être l’un des vecteurs de la maladie. Vous ne regarderez plus jamais le ballet de mouches voleter au-dessus de votre panier de pique-nique du même oeil...

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4.
Le voyage des microorganismes à travers les générations de plantes AHLeGall 07/06/2018 12:33 – Document CNRS OSUR – Rubriques : écologie, génomique, plante clonale, dispersion, holobionte, microbiote  Ils ont fait laffiche

Les plantes clonales, des corridors à champignons

Nathan Vannier, Cendrine Mony, Philippe Vandenkoornhuyse (ECOBIO) Sophie Michon-Coudouel et Marine Biget (UMS OSUR) et Anne-Kristel Bittebiere, viennent de publier en avril 2018 dans la revue Microbiome un article intitulé « A microorganisms’ journey between plant generations ». Cet article original met en évidence les mécanismes de transmission du microbiote à la descendance des plantes clonales, et plus particulièrement la transmission des partenaires symbiotiques à cette descendance.

Les plantes sont colonisées par une grande diversité de microorganismes qui forment un microbiote et remplissent de nombreuses fonctions pour leur hôte. Le microbiote est constitué de l’ensemble des bactéries, microchampignons, virus etc., vivant dans un environnement spécifique (que l’on appelle alors microbiome) chez un hôte (animal, végétal, aérien) ou une matière (d’origine animale ou végétale). Le microbiote est intimement associé au système racinaire des plantes : il leur permet de mieux exploiter et de mieux enrichir leur environnement, au profit d’une communauté microbienne qui peut être modifiée par le contexte environnemental, et notamment par la teneur en éléments nutritifs du sol.

Ce microbiote peut donc être considéré comme une boîte à outils permettant aux plantes d’amortir les changements environnementaux locaux, avec une influence positive sur leur « fitness », c’est-à-dire leur capacité à s’adapter et à se reproduire. On saisit donc aisément l’intérêt de comprendre ces processus dans la cadre des changements climatiques annoncés…

Dans ce contexte, la transmission du microbiote à la progéniture (i.e. à la descendance) représente un moyen d’assurer la présence de symbiotes bénéfiques dans l’habitat. Rappelons que la symbiose est l’association intime et durable entre deux organismes hétérospécifiques (i.e. appartenant à des espèces différentes) : les organismes impliqués sont alors qualifiés de symbiotes, et le plus gros des deux est généralement qualifié d’hôte.

Des exemples d’une telle transmission du microbiote à la descendance ont été principalement décrits jusqu’à aujourd’hui pour la transmission des semences et concernent quelques micro-organismes pathogènes. Dans le cas qui nous intéresse ici, les chercheurs ont étudié la transmission de partenaires symbiotiques à la descendance des plantes, dans un réseau de plantes clonales.

Pour ce faire, ils ont utilisé la plante clonale Glechoma hederacea (i.e. le lierre terrestre) comme modèle végétal et ont contraint la descendance à s’enraciner et à se développer dans des pots séparés, tout en contrôlant la présence des microorganismes.

 

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A la suite de quoi, l’analyse génomique a pris le relai : les chercheurs rennais ont utilisé une approche de séquençage des amplicons (i.e. un fragment d’ADN amplifié par PCR) de l’ARN 16S et 18S ciblant respectivement les bactéries/archées et les champignons afin de décrire le microbiote racinaire de la mère et de la fille de la plante clonale.

L’analyse des résultats a permis de démontrer la transmission verticale (directe) d’une proportion significative de bactéries et de champignons symbiotiques des plantes mères aux filles. Par contre, il est intéressant de noter que les archées n’ont pas été transmises aux plantes filles. Autre enseignement : les communautés transmises avaient une richesse plus faible, ce qui suggère une filtration (sélection) pendant la transmission.

Vannier Video

Par ailleurs, les chercheurs ont découvert que le pool de microorganismes transmis était similaire parmi les filles, constituant donc l’héritabilité d’une cohorte spécifique de micro-organismes, ouvrant une nouvelle compréhension de l’holobionte végétal. Cette mise en évidence va donc permettre de repenser les interactions au sein des ensembles composés par un organisme animal ou végétal et les microorganismes qu’il héberge (i.e. l’holobionte) en prenant en compte les transmissions de microorganismes au cours de la vie et entre générations d’organismes.

En outre, les expériences ont mis en évidence que la richesse du microbiote transmis est largement corrélée avec la distance à la plante mère ainsi qu’avec le temps de croissance.

En conclusion, retenons que pour cette plante clonale, les microorganismes se transmettent entre les individus par des connexions, ce qui a pour effet d’assurer la disponibilité de microbes partenaires pour les nouvelles plantes ; il en est de même pour la dispersion des microorganismes entre les hôtes.

Ce processus écologique jusqu’ici non décrit met donc en évidence la dispersion des microorganismes dans l’espace et dans le temps, à travers les générations successives de plantes. Dans la nature, comme la grande majorité des plantes sont clonales, il parait donc vraisemblable que ce processus pourrait être un puissant moteur du fonctionnement des écosystèmes (et de l’environnement au sens large) dans la mesure où il déterminerait l’assemblage des communautés de plantes et de microorganismes dans un large éventail d’écosystèmes.

Est-on en train de voir émerger un nouveau paradigme en écologie, grâce aux apports conceptuels et méthodologiques fournis par la génomique environnementale ? Le pôle scientifique rennais est en tout cas bien placé pour participer à cette révolution.

Source :
Nathan Vannier, Cendrine Mony, Anne-Kristel Bittebiere, Sophie Michon-Coudouel, Marine Biget, Philippe Vandenkoornhuyse. A microorganisms’ journey between plant generations.Microbiome, 2018, 6, 79. doi : 10.1186/s40168-018-0459-7

Contact OSUR : Nathan Vannier (ECOBIO / Max Planck Institute for Plant Breeding Research) / @ - Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @

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© 2019 CNRS-UMS 3343 OSUR - Source : https://osur.univ-rennes1.fr/news/le-voyage-des-microorganismes-a-travers-les-generations-de-plantes.html

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5.
VIDEO - ’Interactions plantes-microorganismes à travers quelques exemples’ - Conférence de Claire OLIVE - Jeudi 2 février 2017, par Marie DELAHAYE - Claire OLIVE est professeur agrégé à l’UFR SVTE de l’Université de Bourgogne. Vidéo durée : 2:20:35

Introduction

• Les notions de plantes et microorganismes
  Sur une plante existe une grande diversité bactérienne au niveau caulinaire, foliaire, racinaire, créant des interactions bénéfiques ou au contraire délétères.
  Après un rappel de la définition de la notion de plante et de celle de microorganisme (ou microbe ou microbiote), présentation du monde microbien dont la connaissance a été améliorée avec le séquençage moléculaire, les techniques de la microbiologie environnementale, l’écologie moléculaire. Les microorganismes (bactéries, eucaryotes unicellulaires ou petits pluricellulaires) sont partout.

• Les différents lieux d’interaction
  Interactions au niveau de la phyllosphère : la feuille est un environnement rude soumis à de nombreux stress (hydrique, UV, disponibilité de nutriments…).
  Interactions au niveau de la rhizosphère, environnement immédiat des racines, organes qui produisent des molécules et les excrètent dans le milieu : cet exudat racinaire attire une partie des microbiotes du sol. Actions constatées : sur la morphogénèse des racines, effet trophique (production de molécules), modification de l’activité physiologique de la racine.

• Les différents types d’interaction
  La symbiose est une interaction à long terme bénéfique aux deux partenaires : dans le mutualisme, l’interaction est bénéfique sur le court terme. Les interactions symbiotiques dont diverses : ectosymbioses, mésosymbioses, endosymbioses et endocytobioses.

Partie 1 - Les nodosités à Rhizobium fixatrices de N2

Pour la plante, la source minérale d’azote est essentiellement le N2 atmosphérique. Sans aide, la plante est incapable de fixer cet N2 atmosphérique. La symbiose se caractérise par la formation de nodosités (intervention des facteurs nod) : celles-ci contiennent des bactéries (bactéroïdes) capables de fixer le N2 grâce à une enzyme dimère, la nitrogénase. 16 ATP sont alors nécessaires pour fixer une molécule de N2.
Dans cette symbiose à bénéfice réciproque, le bactéroïde va utiliser des ressources carbonées issues de la photosynthèse de la plante et la plante obtient en retour des substances azotées (ammonium) qui sont en quantité limitée dans son environnement classique. S’établit un véritable dialogue moléculaire entre les bactéries et la plante lors de la mise en place de la nodosité. En fait la plante a tout ce qu’il faut pour faire une nodosité mais il lui faut recevoir un facteur nod. Les facteurs nod impliqués sont bien identifiés, leurs récepteurs également.

Partie 2 - Les mycorhizes

Diversité des mycorhizes, qui n’affectent que le cortex, jamais la moelle.
Le végétal bénéficie d’un apport privilégié d’éléments nutritifs peu disponibles dans le sol (exemple : phosphate), le champignon bénéficie d’un environnement protégé et de l’apport de groupements carbonés, organiques, de vitamines, d’hormones…
On distingue les ectomycorhizes (ECM) et les endomycorhizes vésiculaires arbusculaires (AM). La théorie endosymbiotique date du début du 20ème siècle avec les travaux de Konstantin MERESCHKOWSKY (1905) repris plus tard par Lynn MARGULIS (1967) et se développe surtout à partir de 2006.

Partie 3 - Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes

Présentation de la diversité des plastes.

Partie 4 - Les interactions plantes-pathogènes

Grande diversité des microorganismes pathogènes. Par exemple, dans le cas de la vigne : vrais champignons (oïdium, pourriture grise), oomycètes (mildiou), acarien (érinose) et bactérie (maladie de Pierce). Outre la cuticule, barrière très efficace contre les pathogènes, la plante développe une immunité cellulaire et moléculaire très performante. Des récepteurs membranaires de la plante sont capables de reconnaitre des motifs particuliers et déclencher des réponses adaptées.

Cependant, les bactéries pathogènes sont capables, grâce à des « effecteurs » injectés dans le cytoplasme de la cellule végétale, de bloquer cette première réponse immunitaire de la plante. Certaines plantes-hôtes ont développé une forme de résistance : production de gènes R qui reconnaissent les effecteurs et déclenchent une réponse HR (hypersensibilité) entrainant, certes, une mort cellulaire programmée, mais le « sacrifice » de certaines cellules entraîne la diminution de l’infection. On a constaté que les mêmes gènes bactériens peuvent infecter les animaux et des végétaux.

Ces relations plante/microorganismes ont un impact économique évident. Notion de pathogènes et densité dépendance-négative : plus on s’éloigne du pied-parent, plus le nombre de jeunes plantules diminue : les microorganismes du sol associés au pied-parent sont néfastes aux jeunes plantules. Ce phénomène de densité dépendance-négative serait une des explications de certains phénomènes écologiques comme la rareté de certaines espèces, la grande diversité d’autres espèces.

Conclusion

Les applications agronomiques sont très importantes. Les interactions entre plantes et bactéries coopératives dans la rhizosphère sont à préserver, d’autant plus qu’elles sont également moteur de l’évolution.

La notion de réseaux d’organismes est également une réalité comme l’ont montré des études réalisées en Corse mettant en évidence la présence de mêmes nombreux mycorhizes sur deux espèces bien distinctes (arbousier, chêne vert). Exemple de l’orchidée Néottie nid d’oiseau, plante qui ne réalise pas la photosynthèse : elle présente des mycorhizes eux-mêmes associés à des arbres voisins photosynthétiques. S’établit alors un flux carboné de l’arbre vers la plante hétérotrophe, la néottie se trouvant alors presque à la limite du parasitisme.

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