Symbioses végétales intracellulaires: une origine commune repose sur trois gènes

Publié par Isabelle le 13/03/2020 à 14:00
Source: CNRS INSB
Depuis 450 millions d'années que les plantes vivent sur les terres émergées, elles ont développé une multitude d'associations bénéfiques, symbiotiques, avec leur microbiote. Les plus intimes de ces symbioses voient certains microbes bénéfiques être accommodés à l'intérieur même des cellules de la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont, avec les autres végétaux l'objet...) hôte. Dans le cadre d'une étude internationale portant sur l'analyse de plus de 400 espèces végétales publiée dans la revue Nature Plants, les chercheurs ont découvert une base génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) commune à toutes ces symbioses, renforçant l'idée que ces symbioses ont une origine commune.


La légumineuse Medicago trunactula (haut à gauche) et l'hépatique Marchantia paleacea (en bas à gauche) sont respectivement colonisées par un champignon symbiotique dans les racines (en haut à droite) et les thalles (en bas à droite). Ici, le champignon est coloré en bleu avec de l'encre.
© Morgane Lemarquer & Mélanie Rich

Les symbioses plantes - microbes, une longue co-evolution.

Pendant des milliards d'années, la vie (La vie est le nom donné :) est restée confinée aux étendues aquatiques, océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) et lacs. Il y a 450 millions d'années, les plantes ont colonisé les terres émergées, entrainant une métamorphose profonde de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...) et l'évolution d'écosystèmes contenant une biodiversité (La biodiversité est la diversité naturelle des organismes vivants. Elle s'apprécie en considérant la diversité des écosystèmes, des espèces, des populations et celle des gènes dans l'espace et...) animale, microbienne et végétale unique. Il est admis que cet évènement de colonisation a été possible entre autre grâce à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui...) mutuellement bénéfique de ces premières plantes avec certains champignons qui augmentent les capacités de collecte de nutriments et d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans les sols. Aujourd'hui, si cette symbiose (La symbiose est une association intime et durable entre deux organismes hétérospécifiques (espèces différentes), parfois plus. Les organismes sont qualifiés de symbiotes, ou, plus rarement...) persiste chez 80% des plantes qui nous entourent, elle n'est plus la seule ! En effet, de nombreuses associations symbiotiques ont évolué chez des plantes aussi variées que le soja (Le soja, ou soya, est une plante grimpante de la famille des Fabacées, du genre Glycine (à ne pas confondre avec la glycine, Wisteria sp.), proche du...) et la vanille (La vanille est une épice constituée par le fruit de certaines orchidées lianescentes tropicales d'origine mésoaméricaine du genre Vanilla, principalement...).

Des chercheurs du monde (Le mot monde peut désigner :) entier s'attèlent à comprendre comment ces symbioses fonctionnent et comment elles ont pu évoluer. Ces questions sont fascinantes à deux égards. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord, ces symbioses partagent un phénomène d'interaction entre organismes vivants d'une intimité rare: le symbionte microbien est hébergé à l'intérieur même des cellules végétales. D'autre part, ces symbioses présentent des fonctions écologiques indispensables et sont présentes dans la quasi-totalité des écosystèmes existants. Comprendre ces symbioses et les mécanismes sous-jacents offrent la possibilité de mieux les exploiter en agronomie, ce qui faciliterait la transition vers une agriculture moins dépendante en intrants.

Depuis plusieurs décennies, l'étude de deux symbioses végétales a permis l'identification de plusieurs gènes de plantes impliqués dans la reconnaissance des symbiontes et leur "hébergement" à l'intérieur de la cellule végétales. Les autres symbioses "intracellulaires" avaient été jusqu'à aujourd'hui très peu étudiées.

Une poignée de gènes communs à toutes les symbioses végétales.

Pour aller plus loin dans la compréhension des symbioses végétales en général, les chercheurs ont comparé les génomes de plus de 400 espèces de plantes capable de former une ou plusieurs de ces symbioses "intracellulaires". Dans cette diversité de plantes étaient également présentes des espèces qui aujourd'hui n'ont pas la capacité à s'associer avec ces symbiontes. De manière remarquable, peu importe la nature de leur symbiose, toutes les espèces symbiotiques possèdent trois gènes clés qui ont été systématiquement perdus chez les espèces "non-symbiotiques". Cela démontre que la grande diversité de symbioses observée chez les plantes est bâtie sur un socle moléculaire commun.

Vers de nouvelles symbioses pour l'agriculture.

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) ENSA (Engineering Nitrogen Symbioses for Africa, https://www.ensa.ac.uk/), vise à introduire de nouvelles symbioses chez des plantes de grand intérêt agronomique telles le maïs (Le maïs (aussi appelé blé d’Inde au Canada) est une plante tropicale herbacée annuelle de la famille des Poacées, largement...), le blé (« Blé » est un terme générique qui désigne plusieurs céréales appartenant au genre Triticum. Ce sont des plantes annuelles de la famille des...) ou le manioc. De telles symbioses permettraient une forte diminution de l'ajout d'intrants chimiques tout en permettant l'amélioration très significative de la production agronomique dans des régions du monde où la fertilisation, couteuse, n'est pas une option. En démontrant que les symbioses reposent sur une même base génétique, les travaux présentés dans cet article crédibilisent un peu plus cet objectif ambitieux.

Pour en savoir plus:
An ancestral signalling pathway is conserved in intracellular symbioses-forming plant lineages.
Radhakrishnan GV, Keller J, Rich MK, Vernié T, Mbadinga Mbadinga DL, Vigneron N, Cottret L, Clemente HS, Libourel C, Cheema J, Linde AM, Eklund DM, Cheng S, Wong GKS, Lagercrantz U, Li FW, Oldroyd GED, Delaux PM.
Nat Plants. 2020 Mar 2. doi: 10.1038/s41477-020-0613-7. [Epub ahead of print]

Laboratoire:
Laboratoire de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) en Sciences Végétales (LRSV) - (CNRS/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Toulouse III Paul Sabatier)
31326 Castanet-Tolosan, France.

Contact chercheur:
Pierre-Marc Delaux- Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (LRSV)- pierre-marc.delaux at lrsv.ups-tlse.fr
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