Chloé Moreau
Les plantes forment des alliances avec les microbes du sol dans lequel elles poussent. Les légumineuses, par exemple, bénéficient d’une relation symbiotique avec des microbes qui habitent les nodules de leurs racines et “fixent” l’azote dans l’atmosphère pour le rendre disponible pour favoriser la croissance des légumineuses. Mais les microbes sont-ils toujours bénéfiques pour les plantes ? Ou la concurrence entre les souches pour l’accès aux plantes dégrade-t-elle le company que les bactéries fournissent finalement ?
Une équipe dirigée par des scientifiques de l’Université de Californie à Riverside a mis en place des expériences pour répondre à ces questions et mieux comprendre le processus de compétition. Les chercheurs ont utilisé une plante originaire de Californie avec des nodules, Acmispon strigosus, et un ensemble de huit souches bactériennes compatibles fixatrices d’azote. Ils ont infecté certaines plantes avec chacune des huit souches pour mesurer directement leur capacité à infecter les plantes et à fournir des avantages. Ils ont ensuite infecté d’autres plantes avec des paires de souches bactériennes pour évaluer la capacité compétitive de chaque souche et l’effet sur les performances de la plante.
Les chercheurs ont découvert que la concurrence entre les souches de bactéries bénéfiques dans le sol dégrade le services que les bactéries rendent à leurs hôtes.
“Plus précisément, nous avons découvert que la compétition entre les souches qui se produit dans le sol avant que les bactéries n’infectent la plante provoque la colonisation de la plante par moins de bactéries, ce qui permet à la plante de gagner moins d’avantages à la fin”, a déclaré Joel Sachs, professeur d’évolution, d’écologie et de biologie des organismes, qui a dirigé l’équipe de recherche. “Pour comprendre la symbiose, nous utilisons souvent des circumstances stériles dans lesquelles une souche de bactérie est” inoculée “ou introduite dans un hôte autrement stérile. Nos expériences montrent que rendre ce système légèrement furthermore complexe – simplement en utilisant deux souches bactériennes à la fois – modifie fondamentalement l’équilibre des avantages que les hôtes reçoivent, remodelant notre compréhension du fonctionnement de la symbiose. ”
Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Current Biology.
Sachs a expliqué que l’un des principaux défis de l’agriculture consiste à tirer parti des products and services que les microbes peuvent fournir aux cultures en favorisant la croissance de manière durable, sans les coûts environnementaux des engrais chimiques. Son laboratoire étudie les rhizobiums, des bactéries qui favorisent la croissance des plantes. La concurrence rhizobienne est un problème de longue day pour l’agriculture resilient. Les rhizobiums forment des nodules racinaires sur les légumineuses, au sein desquels les bactéries fixent l’azote pour la plante en échange du carbone issu de la photosynthèse. Les producteurs ont longtemps cherché à tirer parti des rhizobiums pour fertiliser de manière durable les cultures de légumineuses de base telles que le soja, les arachides, les pois et les haricots verts.
“On pourrait penser que l’utilisation de rhizobiums comme inoculants devrait permettre aux producteurs de minimiser l’utilisation d’azote chimique, qui est nocif pour l’environnement”, a déclaré Sachs, qui préside le Département d’évolution, d’écologie et de biologie des organismes. “Mais une telle inoculation de rhizobium est rarement couronnée de succès. Lorsque les producteurs inoculent leurs cultures avec des rhizobiums de haute qualité – des souches qui fixent beaucoup d’azote – ces souches” d’élite “sont supplantées par les rhizobiums indigènes qui sont déjà dans le sol et offrent peu ou pas d’avantages aux hôtes. ”
Dans leurs expériences, Sachs et ses collègues ont utilisé des souches bactériennes dont ils avaient déjà séquencé les génomes. Ils ont également caractérisé les souches, qui allaient de très bénéfiques à inefficaces pour la fixation de l’azote, afin de savoir exactement à quel place elles étaient bénéfiques pour les espèces végétales cibles. Les chercheurs ont séquencé le contenu de additionally de 1 100 nodules, dont chacun provenait d’une plante inoculée avec l’une des 28 combinaisons de souches différentes.
Ensuite, les chercheurs ont développé des modèles mathématiques pour prédire le bénéfice que les plantes co-inoculées gagneraient en fonction des attentes des plantes « infectées par clonage » (infectées par une souche). Cela a permis aux chercheurs de calculer le déficit de croissance spécifiquement causé par la compétition intersouches.
“Nos modèles ont montré que les plantes co-inoculées tiraient des avantages de la symbiose beaucoup furthermore faibles que ce à quoi on pouvait s’attendre des infections clonales”, a déclaré Arafat Rahman, ancien étudiant diplômé du laboratoire de Sachs et premier auteur du doc de recherche. “Bien que les bactéries bénéfiques fonctionnent bien en laboratoire, elles sont surpassées dans l’environnement naturel. En fin de compte, nous voulons trouver une souche de bactéries – ou un ensemble de bactéries – qui donne un utmost d’avantages à la plante hôte et qui est compétitive contre les souches bactériennes qui sont déjà dans le sol. ”
Sachs a expliqué que pour découvrir et développer une souche bactérienne très bénéfique pour les plantes, les scientifiques doivent mener des expériences dans des ailments très propres.
“En fin de compte, nous voulons utiliser des bactéries bénéfiques dans l’agriculture”, a-t-il déclaré. “Pour identifier ces bactéries, nous ajoutons généralement une souche bactérienne à une plante en laboratoire et montrons que la plante pousse beaucoup mieux avec la souche que sans. Sur le terrain, cependant, cette plante est couverte de microbes, ce qui complique l’histoire. Dans nos expériences, nous sommes passés d’une souche à une paire de souches pour voir quel influence cela a sur la croissance des plantes. Fait intéressant, avec seulement deux souches, bon nombre de nos prédictions se sont effondrées.”
Rahman a souligné que si des expériences sont nécessaires pour déterminer à quel place une souche bactérienne est bénéfique, des expériences qui testent la compétitivité de la souche par rapport à un panel d’autres souches bactériennes sont également nécessaires.
“Les deux étapes sont cruciales”, a-t-il déclaré. « Notre travail a révélé que certaines des meilleures souches peuvent être très bénéfiques pour la croissance des plantes, mais dès que vous les associez à une autre souche, cet avantage est considérablement réduit. De as well as, il est vital de savoir à quel stade la compétition entre les souches a lieu : avant que les bactéries n’interagissent avec la plante ou après ?
Sachs a déclaré que dans de nombreuses conceptions expérimentales actuelles, l’accent est mis sur les avantages pour les plantes.
“Il est vital, cependant, de garder à l’esprit que les bactéries sont façonnées par la sélection naturelle”, a-t-il déclaré. « Certains d’entre eux peuvent être très compétitifs pour entrer dans le nodule pour infecter la plante mais ne pas être très bénéfiques pour la plante et cela pourrait être un trait qui l’emporte dans la nature. Si nous voulons tirer parti des communautés microbiennes pour les solutions qu’elles peuvent fournir aux plantes et aux animaux, nous devons comprendre la dynamique intersouches dans ces communautés.
Selon Sachs et Rahman, les pratiques de croissance strong doivent être un part essentiel de la nouvelle agriculture pour nourrir une inhabitants croissante avec une foundation de ressources limitée.
“Cela nécessitera de dépasser les méthodes polluantes telles que l’ajout d’énormes quantités d’azote chimique au sol”, a déclaré Sachs. « Comprendre remark fournir efficacement des microbes bénéfiques à un hôte cible est un défi central en médecine, en agriculture et en science de l’élevage. En révélant que la dynamique intersouches peut réduire les avantages de la symbiose, notre travail a ouvert de nouvelles voies de recherche pour améliorer les pratiques agricoles durables.
Sachs et Rahman ont été rejoints dans l’étude par Max Manci, Cassandra Nadon, Ivan A. Perez, Warisha F. Farsamin, Matthew T. Lampe, Tram H. Le et Lorena Torres Martínez de l’UCR, et Alexandra J. Weisberg et Jeff H. Chang de l’Oregon Point out College. Rahman envisage de rejoindre l’Oregon State University en tant que chercheur postdoctoral.
La recherche a été financée par des subventions de la Countrywide Science Foundation et du Département américain de l’agriculture.
