Étude des communautés microbiennes qui colonisent les racines des plantes
Comme de nombreux organismes, les plantes vivent en symbiose avec divers microbes. Ces communautés microbiennes peuvent offrir des avantages à leur hôte en échange de récompenses, en échangeant, par exemple, des nutriments du sol contre des sucres. Bien que nous comprenions davantage cette relation, l’impact fonctionnel spécifique des microbes racinaires sur la croissance des plantes reste mal compris. Pour faire progresser nos connaissances sur ces relations bénéfiques, le projet MICRORULES, financé par le Conseil européen de la recherche, a mis en place des cultures de microbes associés aux plantes afin d’étudier en détail leur structure et leur fonctionnement comme jamais auparavant. «L’établissement de ces cultures a été déterminant pour comprendre la causalité, au-delà du travail corrélatif», explique Stéphane Hacquard, responsable du groupe de recherche à l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection des plantes. Les travaux ont porté sur les interactions entre l’hôte et les microbes, ainsi qu’entre les micro-organismes. «Cela constitue un niveau de complexité supplémentaire qui rend la recherche sur les plantes et les microbiotes à la fois difficile et fascinante», explique Stéphane Hacquard.
Étudier les colonisateurs des racines des plantes
Les chercheurs de MICRORULES ont exploré le microbiote multi-royaumes (bactéries, champignons, oomycètes) présent autour des racines des plants d’Arabette des dames (Arabidopsis thaliana). L’équipe a tout d’abord décrit les microbes présents dans les populations de plantes naturelles en Europe et a cherché à savoir si des plantes confrontées à des conditions environnementales très différentes – du sol ou du climat – s’associaient à des communautés similaires. «Nous avons observé que des groupes de microbes similaires colonisent systématiquement les racines des plantes», fait remarquer Stéphane Hacquard. Les résultats et l’analyse ont été publiés dans la revue «Nature Ecology & Evolution». Un autre objectif majeur consistait à évaluer la faisabilité de l’établissement de collections de cultures de bactéries, de champignons et d’oomycètes, ce qui constituait un défi important compte tenu de la difficulté avérée de cultiver les microbes de l’environnement. L’équipe de MICRORULES est parvenue à cultiver une fraction inattendue de ses microbes cibles et a démontré que la plupart des microbes associés aux racines pouvaient être cultivés.
Recréer des communautés naturelles
Un troisième objectif consistait à reconstituer des communautés microbiennes hautement complexes et multi-royaumes semblables aux microbiomes racinaires naturels. «Nous reconstituons ces communautés dans ce que l’on appelle des systèmes de plantes gnotobiotiques au sein desquels nous pouvons contrôler les microbes que nous inoculons, la plante que nous cultivons et les conditions environnementales que nous imposons», explique Stéphane Hacquard. Cette approche de déconstruction-reconstruction a été explorée dans quatre études évaluées par des pairs, publiées dans «Cell», «Nature Plants» et deux articles de la revue «PNAS». L’équipe a également séquencé les génomes des communautés microbiennes afin de trouver des caractéristiques microbiennes intéressantes. «Cette stratégie a été payante car elle nous a permis d’identifier des gènes candidats bactériens ou fongiques que nous avons https://www.nature.com/articles/s41467-021-27479-y (validés plus avant comme étant essentiels à la colonisation des racines)», ajoute Stéphane Hacquard.
Des partenariats évolutifs à long terme
L’équipe a enregistré plusieurs résultats importants, notamment le fait que les bactéries associées aux racines d’Arabidopsis protègent les plantes contre certains micro-organismes nuisibles, et que les plantes hôtes et leurs bactéries agissent de concert pour contrôler les champignons dans les racines et limiter leur invasion. «Ces microbes fongiques se sont révélés potentiellement nuisibles pour Arabidopsis parce qu’ils utilisent des enzymes spécifiques qui dégradent activement les barrières physiques des plantes», explique Stéphane Hacquard. Autre constatation importante: les activités bénéfiques des microbes associés aux racines sont également pertinentes dans les tissus foliaires éloignés, ce qui ouvre la possibilité d’utiliser les microbes souterrains pour promouvoir à distance la santé des plantes. Tout au long de l’évolution, les plantes ont coopté de nombreuses fonctions microbiennes pour s’adapter aux stress biotiques et abiotiques», fait remarquer Stéphane Hacquard. «Nous espérons qu’à l’avenir, il sera possible de prédire ces comportements et de concevoir rationnellement en laboratoire des communautés synthétiques qui moduleront la santé des plantes sur le terrain.»
Mots‑clés
MICRORULES, plantes, microbes, communautés, racines, champignons, adaptation, temps évolutif, partenariats, colonisateurs
