Paris, France
July 2, 2007
Source:
Institut de Recherche pour le
Développement, Paris (IRD)
Original:
http://www.ird.fr/fr/actualites/fiches/2007/fas269.pdf
La croissance de la plupart des végétaux
dépend de la présence, dans le sol, d’azote en quantité suffi
sante. Cependant une famille de végétaux, les légumineuses,
s’affranchit partiellement de cette contrainte en s’associant à
des bactéries du sol du genre rhizobium, capables de capter
l’azote présent dans l’air. Quand ces bactéries entrent en
contact avec leur hôte végétal, elles provoquent au niveau des
racines l’apparition de nodules au sein desquels elles se
réfugient. Cette relation étroite appelée symbiose bénéfi cie
aux deux organismes : la plante fournit des éléments nutritifs à
la bactérie qui lui restitue en retour l’azote qu’elle a
emmagasiné. Ces interactions améliorent les rendements agricoles
des légumineuses qui occupent une place centrale dans
l’alimentation humaine (soja, pois, arachides…) et animale
(luzerne, trèfl e, sainfoin). De plus, la culture de
légumineuses associées aux bactéries participe aux opérations de
revégétalisation des sols appauvris en azote par exploitation,
érosion, désertifi cation…Le couvert végétal ainsi formé permet
une restauration écologique, enrichissant les sols en azote.
Toutefois, les processus symbiotiques étudiés concernent surtout
les légumineuses des zones tempérées, et peu celles des zones
tropicales. L’équipe du Laboratoire des Symbioses Tropicales et
éditerranéennes et ses partenaires (1), prenant pour modèle une
symbiose entre une légumineuse aquatique tropicale,
l’Aeschynomene, et Bradyrhizobium, une bactérie de la famille
des rhizobiums,viennent de mettre en évidence un nouveau mode de
communication à l’échelle moléculaire entre ces deux organismes.
La bactérie de ce modèle original possède sa propre voie de
photosynthèse, propriété unique chez les rhizobiums (2). Ce
caractère particulier lui confère la capacité exceptionnelle et
rare de former des nodules sur les tiges de sa plantehôte.
Celle-ci acquiert ainsi la possibilité de fi xer des quantités
d’azote bien supérieures à celles mesurées habituellement chez
les légumineuses qui ne possèdent des nodules que sur leurs
racines.
Les chercheurs ont séquencé (3) le
génome de deux souches bactériennes de Bradyrhizobium, ORS278 et
BTAi1, afi n de connaître leur patrimoine génétique et
d’identifi er les gènes impliqués dans cette symbiose
particulière. Ils ont ainsi découvert que ces bactéries sont
dépourvues des gènes nod, indispensables à la formation des
nodules. Bradyrhizobium utiliserait par conséquent des
mécanismes faisant intervenir d’autres gènes. Ces résultats
surprennent d’autant plus qu’ils remettent en question le modèle
universellement reconnu de dialogue moléculaire provoquant la
symbiose rhizobiums/ légumineuses. Ce modèle commun exige la
présence de plusieurs gènes nod permettant la synthèse d’un
facteur Nod. Ce dernier est une molécule fabriquée par la
bactérie qui lui permet d’être reconnue par la plante et de
pouvoir rentrer à l’intérieur au niveau de poils sur les
racines. Sans cette molécule signal, il ne peut y avoir de
nodules conduisant à la symbiose. Quelle voie de signalisation
utilise alors Bradyrhizodium pour s’introduire dans la plante et
induire la nodulation ?
Les chercheurs ont tout d’abord constaté
que la bactérie pénètre dans les racines de sa plante-hôte non
pas par les poils mais en utilisant des « zones de crack » que
l’on peut comparer à des zones de blessures. Ils ont ensuite
tenté d’identifi er les gènes impliqués dans la fabrication de
la molécule signal inconnue, jouant le rôle du facteur Nod.
A la lumière de l’ensemble des résultats
obtenus, ils ont émis l’hypothèse qu’une molécule proche d’une
hormone végétale (4), la cytokinine, pourrait intervenir dans
les mécanismes déclenchant la nodulation. La découverte de la
nature de la molécule signal elle-même, qui reste encore à
déterminer, laisse entrevoir de futures applications
agronomiques. En effet, de nombreux végétaux vivent en symbiose
avec des bactéries, mais seul le fonctionnement d’un petit
nombre de ces interactions est connu. La mise en évidence, chez
certains rhizobiums, de voies alternatives capables de
déclencher le signal de nodulation donne l’espoir d’associer ces
bactéries à des plantes différentes des légumineuses. Il
deviendrait alors envisageable d’accroître la production
agricole d’un nombre plus important de plantes, notamment dans
les pays tropicaux, en limitant l’utilisation d’engrais.
(1) Ces recherches ont été conduites
au Laboratoire des Symbioses Tropicales et Méditerranéennes, UMR
113 (IRD, CIRAD, AGRO-M, INRA, Université Montpellier 2), avec
la collaboration du Génoscope d’Evry, du CEA, du DOE Joint
Genome Institut, de l’Université du Minnesota et de l’Université
du Missouri.
(2) Voir fi che n°154 accessible à
www.ird.fr/actualites/fi
ches/2002/fiche154.htm
(3) séquençage : méthode de biologie moléculaire permettant de
connaître toutes les séquences d’ADN d’un organisme, et
donc ses gènes.
(4) les hormones végétales jouent un rôle de communication au
sein de la plante Rédaction
– IRD : Stéphane Sapolin
A
promising new plant-bacterial symbiotic mechanism
The growth of most plants depends on the presence of sufficient
amounts of nitrogen contained in the soil.
However, a family of plants, the legumes, is partially free of
this constraint thanks to its ability to live in association
with soil bacteria of the Rhizobium, genus, capable of fixing
nitrogen from the air. When these bacteria come into contact
with their host plant, they trigger in the roots the formation
and development of organs, termed nodules, where they continue
to live. This close relationship is symbiosis, which benefits
both organisms involved: the plant supplies nutritive elements
to the bacteria which in return pass on the nitrogen they have
stored up.
These interactions improve crop yields of leguminous plants that
are crucial for human diet (soybean, peas, ground nuts and so
on…) and as animal feed (alfalfa, clover, sainfoin). In
addition, cultivation of legumes living in symbiotic association
with bacteria can contribute to vegetation regeneration schemes
on soils depleted in nitrogen owing to overexploitation, erosion
or desertification. The plant cover thus formed can help achieve
ecological restoration, by enriching the soils in nitrogen.
However, the symbiotic processes studied predominantly concern
the leguminous plants of temperate zones, very little those of
the tropics.
The team from the IRD’s ‘Laboratoire des Symbioses Tropicales et
Méditerranéennes’ and its partners (1), taking as model a
symbiosis between a tropical aquatic legume, Aeschynomene, and
Bradyrhizobium, bacteria of the Rhizobia family, have just
revealed a new mode of communication at molecular level between
these two organisms. The bacteria of this original model have
their own photosynthetic pathway, a unique property in the
rhizobia (2). This special character confers on it the
exceptional, rare ability to form nodules on the stems of its
host-plant. The plant thus acquires the possibility of fixing
much higher quantities of nitrogen than those usually measured
in leguminous plants which have nodules only on their roots.
The researchers sequenced (3) the genes of two bacterial strains
of Bradyrhizobium, ORS278 and BTAi1, in order to find out their
genetic make-up and identify the genes involved in this rather
special form of symbiosis. These bacteria were found to have no
nod genes, usually essential for nodulation. Bradyrhizobium
consequently appeared to use mechanisms that involved other
genes. This surprising result calls into question the
universally recognized model of molecular communication that
initiates the rhizobia-legume symbiosis. This common model
requires the presence of several nod genes which allow synthesis
of the Nod factor, a compound elaborated by the bacterium which
enables the plant to recognize it, by molecular recognition,
thereby allowing the microorganism to penetrate inside the plant
by the root hairs. The finding raises the question as to what
signalling pathway Bradyrhizodium might use to gain entry to the
plant and set off nodulation.
The first observation was that the bacteria did not penetrate
the roots of its host-plant by the hairs. It took advantage of
“crack zones” comparable with wound areas. The set of results
obtained from subsequent work, seeking to identify the genes
involved in producing the unknown signal molecule that plays the
role of Nod factor, prompted the team’s hypothesis that a
molecule similar to a plant hormone (4), cytokinin, could act in
the mechanisms by triggering nodulation. The discovery of the
nature of the signal molecule itself, which remains to be fully
determined, brings a glimpse of future agricultural
applications.
Many plants live in symbiosis with bacteria, but the mechanisms
are known for only a small number of these interactions. The
demonstration of alternative pathways capable of triggering the
nodulation signal in certain rhizobia is promising for future
techniques for bringing these bacteria into association with
different leguminous plants. It therefore becomes possible to
increase agricultural production of a greater number of
important plants, notably in tropical countries, while cutting
down the use of fertilizers.
(1) This research was conducted in the ‘Laboratoire des
Symbioses Tropicales et Méditerranéennes’, mixed research unit
UMR 113 (IRD, CIRAD, AGRO-M, INRA, University of Montpellier 2),
with the participation of the Genoscope at Evry, the CEA, the
DOE Joint Genome Institute, the University of Minnesota and the
University of Missouri.
(2) See scientific bulletin n°154 accessible on
www.ird.fr/fr/actualites/fiches/2002/fiche154.htm
(3) sequencing: molecular biology method that can identify all
the DNA sequences of an organism and therefore its genes.
(4) plant hormones play a role in communication within a plant. |
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