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La rhizosphère : un "nouveau continent à explorer" à l’interface entre sol, racines et micro-organismes.

jeudi 29 novembre 2012, par Séverine

Pour ce jeudi de la recherche, Yves Dessaux nous a accueillis à l’Institut des Sciences du Végétal (ISV) implanté sur le campus du CNRS à Gif-sur-Yvette. Son équipe étudie l’effet de la culture de plantes génétiquement modifiées sur leur environnement et plus particulièrement l’interaction entre plantes et micro-organismes de la rhizosphère, cette zone du sol située sous les racines des plantes.

La rhizosphère, une zone du sol très riche en micro-organismes

Système racinaire de plantes de lotier corniculé © Y.dessaux, ISV-CNRS

La rhizosphère est la région du sol située sous les racines des plantes et soumise à leur influence directe. 10% à 40% des composés photosynthétisés (à partir du CO2 et de l’eau) par les plantes sont relargués dans la rhizosphère, soit sous forme de substances libérées directement par les racines (acides organiques, sucres) : c’est l’exsudation racinaire, soit sous forme de tissus végétaux détachés de la plante par frottements mécaniques. Cette « rhizo-déposition » est favorable à la multiplication des micro-organismes (bactéries, champignons microscopiques). De nombreuses interactions sont observées entre la plante et les microorganismes ou entre les microorganismes eux-mêmes. Certaines sont bénéfiques comme par exemple la symbiose entre légumineuses et bactéries qui permet à la plante de fixer l’azote dont elle a besoin. Mais il existe également des bactéries pathogènes pour la plante. Au niveau de la microflore se tient également une compétition sévère entre les bactéries. Bien qu’il y ait 100 à 1000 fois plus de bactéries dans la rhizosphère que dans un sol nu, les espèces présentes sont 10 à 100 fois moins diversifiées. Seul un faible nombre de micro-organismes sont adaptés à ce milieu dans lequel ils prolifèrent de manière importante. Le fonctionnement de la rhizosphère reste encore mal connu. C’est pourtant une zone primordiale dans le cycle géochimique du carbone, de l’azote et du phosphore. L’équipe d’Yves Dessaux cherche à comprendre comment se structurent les populations bactériennes autour des racines des plantes. Un paramètre semble être clé : les différentes molécules exsudées par la plante. Certaines servent de substrat à la croissance bactérienne, d’autres seraient plutôt des molécules « signal » induisant tel ou tel comportement chez la bactérie. Pour faire varier la nature de ces molécules et étudier les conséquences, les plantes sont génétiquement modifiées en introduisant un nouveau gène qui va modifier la production de la molécule d’intérêt.

Comment caractériser les bactéries du sol ?

On estime entre 1030 et 10 32 le nombre total de bactéries sur Terre : c’est la moitié du carbone organique, 90% de l’azote. Un homme de 80 kg transporte en permanence avec lui 1,5 kg de bactéries !

Bactéries du sol en culture sur gélose © Wikimedia Commons

Mais le monde bactérien reste encore à découvrir. Dans le sol, seuls quelques pour cent des micro-organismes associés aux plantes sont « cultivables » et identifiés. Beaucoup de bactéries ne sont pas cultivables faute d’un milieu de culture bien adapté (celui utilisé habituellement pour faire pousser les bactéries est trop riche).

L’équipe d’Yves Dessaux utilise les méthodes classiques de biologie moléculaire. Pour les bactéries cultivables, elles sont multipliées dans des boîtes de Petri sur des milieux gélosés dits riches, c’est-à-dire avec tous les nutriments nécessaires à la croissance bactérienne. On cherche ensuite à étudier leur ADN, notamment pour identifier les bactéries et établir des relations de parenté entre diverses espèces (phylogénie). Pour obtenir une quantité suffisante d’ADN, on utilise la PCR (Polymerase Chain Reaction), méthode universelle d’amplification d’une séquence d’ADN : on obtient un milliard de copies de la séquence d’ADN en moins d’une heure. Cette méthode fonctionne aussi pour l’ARN, variante de l’ADN présente notamment dans les ribosomes (unités qui permettent la synthèse des protéines). On peut ainsi différencier deux espèces de bactéries en étudiant une petite séquence d’ARN d’environ 1500 paires de bases : l’ARN 16S, propre à chaque espèce. Une des études actuellement menée consiste à comparer les populations bactériennes vivant sous les racines de plantes produisant 4 exsudats différents.

Et les bactéries non cultivables ? On peut également s’y intéresser dans le cadre d’une nouvelle approche : la métagénomique. On ne cherche plus à isoler les individus pour établir leur cartographie génétique mais on récupère l’ensemble des gènes de tous les organismes présents dans un milieu complexe (sol, étendue d’eau, intestin, etc.). Ainsi, on récupère toute la diversité génétique sans se préoccuper de qui est cultivable ou non. En faisant s’exprimer ces gènes dans une bactérie-hôte, on peut ensuite produire les protéines codées par ces gènes. Cette technique ne se limite pas à l’étude des bactéries du sol. D’autres équipes espèrent, grâce à la métagénomique, produire des protéines-enzymes dont certaines auront une utilité thérapeutique.

Comment les bactéries répondent-elle au changement de densité ?

Un autre aspect des études de l’équipe consiste à étudier les signaux moléculaires échangés par les bactéries et induisant des comportements collectifs. L’un d’entre eux, fréquemment retrouvé chez les bactéries associées aux plantes, est appelé « quorum sensing ». Les bactéries sont en quelque sorte capables de se compter en mesurant la concentration d’une molécule signal émise par chacune d’elles. Quand elles sont assez nombreuses, un gène peut alors s’exprimer et induire un comportement spécifique. Ce processus, appelé quorum sensing, a été découvert avec l’étude de bactéries (Vibrio fisheri) vivant dans l’organe lumineux des seiches naines. Les bactéries à l’état libre ne sont pas luminescentes, car les signaux auto-inducteurs sont faibles. Par contre quand elles sont regroupées dans l’organe de la seiche, la concentration de molécule-signal devient suffisante pour induire l’expression du gène à l’origine de la luminescence. Le quorum sensing intervient dans de nombreux processus bactériens comme par exemple le swarming qui est le mode de déplacement microbien rapide utilisé pour coloniser des surfaces. Il est également impliqué dans la production d’antifongiques par des bactéries associées à certaines monocultures : les pathogènes diminuent, ce qui entraine une augmentation de 10 à 20% du rendement.

La "pourriture molle" observée sur les pommes de terre est déclenchée par un mécanisme de quorum sensing.

Un autre grand intérêt de ce mécanisme de quorum sensing pour les bactéries est de pouvoir « attaquer » toutes en même temps un organisme, assaillant d’un seul coup son système immunitaire et l’empêchant ainsi de se défendre efficacement.

La compréhension de ces mécanismes ouvre de nouvelles perspectives dans la lutte antibactérienne : plutôt que de vouloir éradiquer une population de bactéries jusqu’à la dernière, ce qui induit des phénomènes de résistance aux molécules antibiotiques, on peut essayer de les empêcher de communiquer et ainsi bloquer le mécanisme de quorum sensing : par exemple en introduisant une plante OGM dont l’exsudat est une molécule qui brouille les signaux de communication des bactéries, ou encore en favorisant une population bactérienne qui dégrade naturellement le processus de communication des autres colonies. Cette dernière approche, développée par l’équipe, permettrait de diminuer la quantité d’intrants chimiques utilisés par l’agriculture en favorisant une protection « biologique » des plantes.

En route vers la serre…

Serres de l’ISV © ISV

Ce « jeudi de la recherche » s’est poursuivi avec la visite des installations de l’ISV : d’abord les ultracentrifugeuses. Elles permettent de séparer les composants d’un mélange sans les dénaturer même si elles atteignent des accélérations de 10000 g quand elles tournent à plein régime ! Puis en route vers la serre dans laquelle sont cultivées les plantes génétiquement modifiées. Dans le but de limiter tout transfert de pollen OGM ou d’insectes en contact avec une plante génétiquement modifiée, il faut respecter des règles très spécifiques comme le port d’une blouse rouge spécialement réservée à la serre (impossible de passer inaperçu si on sort avec !) et le passage à travers plusieurs sas de sécurité. De plus, la serre possède de nombreux joints protecteurs et les aérations ont des filtres. Toujours par mesure de précaution, les plantes sont détruites par autoclavage à la fin des expériences et les effluents sont traités à l’eau de Javel. Dans la serre la luminosité et la température sont contrôlées mais pas l’humidité. Pour la température, il existe un refroidissement possible mais pas très performant puisqu’en été la température de la serre ne peut être inférieure que de 8 à 10° par rapport à la température extérieure. La serre abrite des plantes modèles comme l’arabette des dames, qui est la plante de laboratoire de référence. Proche du chou ou du colza, elle a un cycle de développement très court (3 mois) et son génome est très petit. Elle est donc plus facile à étudier que ses cousines des champs. L’autre espèce modèle étudiée est la luzerne tronquée, de la même famille que le trèfle, elle est utilisée pour l’étude de la symbiose avec des bactéries du sol.

Arabette des dames © Wikimedia Commons

20h30 Fin de la visite. Restitution des blouses rouges ! Le campus de Gif est plongé dans la nuit mais pas la serre toujours illuminée que, parait-il, on aperçoit en avion quand on arrive en région parisienne…