Interactions plantes - microorganismes
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DIVERSITE DES INTERACTIONS PLANTES / MICROORGANISMES I - Du mutualisme au parasitisme - - Mutualisme, symbiose : bénéfices directs et réciproques Commensalisme : deux cas de figure: o Un partenaire tire un bénéfice et l'autre non o Aucun bénéfice pour les deux partenaires Pathogènes: seul le parasite tire un bénéfice au détriment de l'hôte. Les systèmes symbiotiques: Externe: exemple du Roseau « quenouille » avec Beggiatoa. C'est un mutualisme vrai. La bactérie utilise le soufre à l’état réduit pour le transformer en acide sulfurique, utilisé par la plante sous forme de sulfate pour sa croissance. H2S SO42- + H2O2 Le H2O2 est toxique pour la plante, mais dans ses racines elle possède une catalase qui réduit le H2O2 : H2O2 O2 + H2O aération du sol. Colonisation inter ou intracellulaire : o Lichen: interaction directe entre un champignon et une algue ou une cyanobactérie. Echanges directs entre le champignon et la cyanobactérie. o Azospirillum : intérêt agronomique puisqu’elle peut coloniser les racines nombreuses céréales. Elles vont rester dans le cortex externe de la racine. Elle va favoriser la croissance des plantes = Plant Grouth Promoting Bacteria et favorise l'éloignement des pathogènes par concurrence. Elle va aider la plante à assimiler l’azote (N2NH4+) Elle va synthétiser des auxines comme acide indole acétique (AIA) Aide à l’assimilation du fer o Endophyte fongique sont difficiles à classer. Au début ils étaient de vrais pathogènes. Mais certains ne gênaient pas la croissance de la plante (commensales) et d’autres ont permis aux graminées de s’étendre (mutualistes) car le champignon produisait des enzymes (LSA) toxiques pour certains herbivores. o Une orchidée Epipogon: on la trouve en France et en Europe, elle ne possède pas de chlorophylle et est incapable de croitre en absence de son champignon mycorhizien. Mais ce champignon l’empêche d’accéder au carbone. Le champignon va donc créer une association tripartite avec autre plante (ligneuse) pour récupérer le carbone. Il va ensuite distribuer les minéraux aux deux plantes. Parasitisme vrai : colonisation d’une bactérie intercellulaire qui va entrainer une nécrose des tissus, dont la bactérie va pouvoir se nourrir. /!\ Il existe des interactions non trophiques (non nutritionnelles) comme la transformation du H2O2. Elles ont un rôle de protection. Analyse des interactions : Structure Echanges entre les partenaires (trophiques et non trophiques) Mode de colonisation (intra ou extracellulaire) Mode de reproduction Spécificité d'hôte et mode de reconnaissance Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 1 II- Colonisation des environnements extrêmes : les symbioses lichéniques Lichen = champignon (=Mycobionte) : 13 000 espèces dont 98% d’Ascomycètes + organisme photosynthétique (=photobionte) algue (85% des cas) cyanobactérie (5%) Les 10% restant correspondent à une symbiose tripartite : champignon, algues, cyanobactérie. Avantages de ces symbioses très compétentes : La cyanobactérie est capable de fixer l’azote L’algue réalise la photosynthèse Le champignon permet la diffusion des sels minéraux Le champignon contrôle la multiplication du photobionte. Le champignon va donner une protection au photobionte dans des conditions extrêmes. Le photobionte crée du CO2 et le mycobionte récupère les traces de substances nécessaires à la croissance (humidité atmosphérique ou sels minéraux des roches). Les lichens peuvent pousser partout mais leur croissance est très lente à cause du manque de nutriments. 1) Structure des lichens : un mycobionte et un photobionte Dans le cortex supérieur, le mycobionte va former un manchon phongique, sous lequel va se mettre le photobionte pour se protéger. La médulle est moins serrée pour permettre le transfert de gaz. L’hyphe entoure le photobionte pour augmenter la surface d’échange (des nutriments) et favoriser les interactions. Les cyanobactéries : Ce sont des bactéries gram-, elles possèdent donc une enveloppe. Les cyanobactéries pratiquent une photosynthèse oxygénique identique à celle des algues, à la différence près que leurs antennes collectrices comportent des phycobilisomes. Leurs thyloakoïdes contiennent de la phycocyanine (au niveau du photosystème II) et de la cyanophycine (=polymère d’Arg et d’Asp) dans le cytoplasme. Elles sont capables de faire énormément de réserves et elles ne vivent pas individuellement mais au sein de chaînettes. Il existe des cellules différenciées, les hétérocystes « H », fixatrices d’azote. N2 + 8H+ + 8e- 2NH3 + H2 (16 ATP + 8 Fedréd 16 ADP + 8 Fedox) Rappel : les électrons sont apportés par les ferrédoxines réduites. La fixation d’azote se fait par la nitrogénase, ce qui nécessite beaucoup d'énergie, elle est très sensible à l’oxygène. La bactérie va donc renforcer sa paroi pour que l’oxygène ne puisse plus passer à l’intérieur de la cellule. Formation de spore (unicellulaire) = akinète si les conditions sont mauvaises. Sans eau, la cellule peut se décrocher pour faire sa vie ailleurs. Si les conditions sont bonnes, elle sera hydratée. 2) Les échanges entre symbiontes Grâce aux contacts entre l’hyphe et le photobionte nous avons des échanges permanents qui peuvent se faire. Le champignon va apporter de l’eau, des sels minéraux, des acides organiques qui vont dissoudre la roche. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 2 Les céphalodies sont des zones de cellules différenciées qui vont accueillir les cyanobactéries permettant à ces dernières de ne pas être mélangées avec les algues. De par l’activité spécifique de fixation d’azote de ces structures, les parois du thalle à hauteur de ces structures seront épaissies. Afin de favoriser les échanges entre les deux symbiontes, le champignon peut envoyer une extension de son hyphe au contact direct du microorganisme, permettant l’augmentation de la zone d’interactions. On distingue : Appressorium, hyphe ne pratiquant qu’un simple contact Haustorium ou suçoir, hyphe provoquant l’invagination sans pénétration de la membrane cellulaire du microorganisme. Communication des systèmes vasculaires : le xylème au centre ne permet pas l’échange des nutriments ce sont les phloèmes en périphérie qui le peuvent (car ils conduisent la sève élaborée). Les échanges non trophiques : Le champignon ne synthétisera de substances lichéniques qu’en présence d’un photobionte iI existe donc un système de signalisation entre les deux symbiontes. Le photobionte va induire une nouvelle voie métabolique qui va permettre la synthèse d’acide lichénique (phénol) produit en très grande quantité à l'intérieur du thalle (jusqu’à 40% du poids sec). L’acide cristallise et forme une couche protectrice hydrophobe : protection vis-à-vis de la dessication (favorise la rétention d’eau) et contre les UVs ; il va également donner la couleur bleue aux lichens. Ces acides peuvent être toxiques et repousser les herbivores. Le mycobionte permet quant à lui l’ancrage sur le support (rhizine) et une protection vis-à-vis des conditions extrêmes. Les échanges trophiques : Le microorganisme permet de fournir au champignon 90% du CO2 fixé sous forme de polyols. Lors de symbioses tripartites faisant intervenir champignon, algue verte et cyanobactérie, l’enzyme RubisCO bactérienne est inhibée (assimilation du CO2) : les cyanobactéries contribuent donc majoritairement à un apport d’azote. De par la structure du thalle, le champignon contribue majoritairement à l’apport d’eau en permettant l’absorption d’une grande quantité de gouttelettes présentes dans l’air, assurant l’hydratation du mycobionte et du photobionte même en conditions difficiles. Le champignon pratique enfin l’absorption de sels minéraux via l’attaque par le biais d’acides organiques (en particulier acide lichénique, dérivé benzénique légèrement acide) des minéraux sur lequel le lichen sera posé. 3) Transmission / reproduction des lichens Reproduction seule du champignon : Multiplication Sexuée ou Végétative. Reproduction du lichen : Asexuée par dissémination des sorédies ou isidies (propagules déjà différenciées en lichen). Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 3 - Ascospore (asexué) croissance d'un mycélium (=hyphe), cette croissance peut s'arrêter mais reprendre si il y a sécrétion d'un composé diffusible par le photobionte. Si carence en azote : production d'un facteur qui favorise l'hormogonie = HIF (hormogonie Inducing Facts) et favorise la croissance + formation d’une cavité d’accueil. La grande chaîne se découpe en petites chaînes mobiles (capable d'attirer la bactérie) qui vont nager vers les cavités formées par le champignon. Le champignon sécrète des molécules chémoattractantes pour attirer le photobionte migration des hormogonies vers les cavités formées par l'hyphe du champignon. A la suite d’une reconnaissance spécifique –dont on ignore encore les mécanismes- et de leur entrée dans le champignon, les cyanobactéries entraînent le développement du thalle lichénique, la formation de rhizines. L'hyphe se referme et le champignon synthétise le facteur RHF (releasing Hormogonies Factor) antagoniste induisant une différenciation pour stopper la production d'hormogonies et induire la production d'hétérocystes. NOSTOC = genre qui contient plusieurs espèces différentes symbiotique ou non (lichénique ou non) de cyanobactéries. Ils ont une spécificité d'hôte plus ou moins large. Il existe des NOSTOC incompatibles : parfois le champignon ne referme pas la cavité pas formation d'un lichen vrai. 4- Les lichens comme bio indicateurs Etant très sensibles aux polluants, ils font office de bioindicateurs natifs d’autant plus intéressants qu’il est également possible de doser les composés absorbés. Observant les différentes populations de lichens d’une aire donnée, il est alors possible de définir la nature et la teneur en polluants de celle-ci. III – Les associations plante / bactéries fixatrices d’azote 1- Fixation de l'azote Les fixateurs d’azote sont loin de représenter l’intégralité du règne bactérien. Chez ces diazotrophes, le complexe enzymatique nitrogénase est conservé entre les phylums. Parmi elles, seules les protéobactéries sont capables d’interactions symbiotiques avec les végétaux supérieurs, dont les plus abouties en termes de développement de nouvel organe ont lieu chez les α protéobactéries. Les β protéobactéries, comme Rhizobium, sont capables de la formation de nodosités, et les δ protéobactéries sont couramment retrouvées chez des plantes d’intérêt agronomique. 2- Les cyanobactéries vivent en symbiose avec des végétaux très divers Bryophytes, Fougères flottantes (Azolla) La plante possède dans ses feuilles des cavités remplies de Nostoc qui vont donner de l’azote à la fougère. De manière à ne jamais perdre le symbionte, il existe une reproduction coordonnée entre la fougère et la bactérie. Pour cela, deux types de sporanges seront formés par la fougère : les microspores formeront les gamètes mâles, et les macrospores seront protégées par une indusie comprenant des akinètes (= forme latente de la bactérie, provenant de la différenciation des hormogonies et retenues par un mucilage visqueux). De cette manière, la cyanobactérie n’a aucun besoin de mener une vie saprophytique dans la nature. Cette symbiose par colonisation extracellulaire est depuis longtemps utilisée en tant qu’engrais vert des rizières. Angiospermes (genre Gunnera) Dans ce système, la colonisation intracellulaire ne se fait que dans des structures prédéfinies qui se forment à la base du pétiole : les glandes symbiotiques. Un canal se forme pour apporter les bactéries dans les glandes. La plante décide où vont les bactéries et pas l’inverse. Processus d’accueil : certaines espèces de nostoc vont aller s’agglutiner à l’entrée du canal et éventuellement progresser dans le canal, mais très peu vont être capable de coloniser la plante par endocytose : membrane plasmique plante s’invagine et va entourer des chainettes de cyanobactéries la vésicule formée empêche tout contact direct entre cytosol et bactérie. Celle-ci ne se retrouve pas directement dans le cytosol. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 4 Lichens Cycadales : 3 types de racines: Pivotantes sans racines latérales ; peuvent aller très profond Latérales classiques normales Corraloïdes courtes et très épaisse. Les Cycadales ont des racines pré-corraloïdes (=site d'accueil à la cyanobactérie) il n’y a donc pas de formation d'un nouvel organe. Les bactéries se positionnent de façon circulaire dans une zone spécialisée du cortex : c’est une colonisation intercellulaire. 4) La symbiose Rhizobium-légumineuse Les légumineuses synthétisent et excrètent au sein de la rhizosphère des flavonoïdes, qui pourront être perçus par la bactérie. Cette dernière induira alors l’expression de gènes codant pour des enzymes nécessaires à la synthèse du facteur de nodulation Nod, constitué de glycosamides associés en chaîne aliphatique. Secrété par la bactérie, ce facteur pourra à son tour être reconnu spécifiquement par la plante au niveau des poils absorbants, et induira la mise en place d’une voie de transduction de signal aboutissant à la formation de nodosités d’une part, et autorisant l’infection bactérienne d’autre part. C’est une spécificité étroite car la moindre modification de la décoration du facteur Nod peut interdire l’accès de la bactérie à la plante. La bactérie induit donc la synthèse d’un nouvel organe de la plante hôte par dédifférenciation les cellules du cortex de la racine en cellules méristématiques. La réaction de fixation de l’azote de la plante (réduction du N2 en NH4+) se fait par l’intermédiaire de la nitrogénase, avec des contraintes : forte sensibilité à l’oxygène, grand besoin en énergie et en pouvoir réducteur. Pourtant, la bactérie vit en anaérobie, ce qui n’est pas compatible. La nodosité est donc une niche écologique compatible pour les deux partenaires. Cependant, la fixation de grandes quantités d’azote fatiguent les bactéries, induisant une perte d’efficacité : apoptose des bactéries et des cellules végétales Sénescence en bas de la nodosité. Nodosité mature : Zone I : Méristème, il n’y a pas de bactéries Zone II : Filaments bleutés zone d’infection, codifférentiation des cellules des deux partenaires. Zone III : Zone de fixation. Les cellules infectées comprennent les bactéries, incluses dans un symbiosome (= nouvel organe : Bactéroïde + Membrane Bactéroïdienne + Espace Péribactéroïdien Membrane Péribactéroïdienne) qui y pratiquent la fixation d’azote. Pour cela il faut qu'elle fasse des changements: De taille : devient 30% plus grosse Arrêter la division cellulaire Arrêter la synthèse de certains composants Commencer la synthèse de nitrogénase Les cellules non infectées jouent un rôle dans l’export de l’azote fixé, et de fourniture de saccharose sous forme de malate, intégré directement au cycle de Krebs, auprès des cellules infectées. Dans cette zone, la plante synthétise de la leghémoglobine capable de lier l’O 2. Cette molécule va servir de tampon si [O2] est trop élevée ou permet une diffusion optimale de l’oxygène pour que la bactérie puisse le consommer en permanence lors de sa respiration. Zone IV : zone sénescence avec mort des bactéries et des cellules végétales, car la plante n’a plus besoin que la bactérie fixe l’azote. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 5 Les échanges entre les partenaires : Fonction de base : fixation de l’azote, uniquement chez la bactérie, mais la bactérie dépend à 100% de la plante pour réaliser cette fixation. Synthétise du carbone au niveau des feuilles, véhiculation de saccharose au niveau des feuilles. Saccharose va arriver dans les racines pour former du malate. La plante apporte le malate et une protection à l’oxygène de la nitrogénase, en faisant une assise cellulaire au niveau des parenchymes, qui est très compacte, et dont les trous vont être bouchés par des glycoprotéine pour éviter la fuite de gaz. Au final la bactérie n’apporte pas uniquement de l’azote à la plante, mais aussi une protection, vis-à-vis d’un stress abiotique ou biotique (pathogènes). 5) Les actinorhizes / Frankia Les actinorhizes sont des types de nodosités induites au contact d’actinobactéries du genre Frankia, actinomycète filamenteux Gram+. Contrairement aux autres nodosités, les actinorhizes persisteront durant plusieurs années. Elles se trouvent chez des espèces mal fournies en azote, des milieux aquatiques, des régions désertiques, etc. Les quatre espèces du genre Frankia sont capables de former de nodosités chez différents types de plantes. Lorsqu’il y a symbiose, le pourcentage de bactéries et de cellules différenciées en cellules fixatrices d’azote est énorme. Chez les légumineuses, celles-ci ont la particularité d’être plurilobées (accumulation de lobes nodositaires ; chaque lobe = racine modifiée) ayant pour origine une importante ramification racinaire. Par ailleurs, il y a formation de nodosités géantes chez certaines plantes ligneuses. Les actinorhizes possèdent une structure tétrazonale parcourue par un tissu vasculaire central, et constituant une véritable racine secondaire simplifiée. Structure de la nodosité : La base de la nodosité est un lobe avec : Les vaisseaux centraux : xylème/phloème Une assise cellulaire qui correspond au péricycle Une assise cellulaire qui correspond à l’endoderme La spécificité d’hôte est ici aussi très grande, et les mécanismes de reconnaissance mal connus. Nous savons néanmoins que lors de l’infection, la plante synthétisera un facteur S1 activateur de la fixation d’azote bactérienne. Cependant, si l’azote est puisé directement dans le sol, nous aurons synthèse d’un facteur S2 inhibiteur de l’infection. IV- Les symbioses mycorhiziennes 90% des espèces de plantes sont mycorhizées. Les 10% restants ont probablement perdu leur mycorhization. Il existe deux types de mycorhizes : les endomycorhizes, et les ectomycorhizes. Les endomycorhizes sont caractérisées par la pénétration des parois de la plante par le champignon (ordre des Glomales) en vue d’augmenter les échanges entre les deux partenaires. On retrouve des fossiles de cette symbiose datant d’entre -400 et -450Ma, et l’on suppose qu’elle est à l’origine de la colonisation par les végétaux du milieu terrestre. Le champignon ne peut cependant pas effectuer un cycle de vie complet et se reproduire sans son partenaire, mais peut cependant produire des spores en vue de survivre. Les ectomycorhizes, apparues plus longtemps après, sont beaucoup plus diversifiées et concernent plusieurs familles de champignons, majoritairement des basidiomycètes ainsi que quelques ascomycètes (ex : truffe). Le développement souterrain du champignon y est très important, et l’on y trouve une unique fructification, un seul carpophore. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 6 1- Les échanges entre plantes et champignons : Ces interactions permettent la solubilisation et l’assimilation de phosphates, ainsi qu’un apport important en composés azotés. La tolérance aux stress hydriques et salins ainsi qu’aux métaux lourds est plus grande, de même que la résistance aux maladies biotiques. La plante fournit en échange de 4 à 20% du carbone qu’elle fixe. Nouvel organe chimérique formé par la présence du champignon mais la plante contrôle la prolifération du champignon. Par contre, l'absence de plante stoppe la croissance de l'hyphe. Membrane plasmique tout autour de l'hyphe du champignon dans la cellule augmentation de l'activité de l'appareil de golgi pour former plus de membrane. Plantes tellement adaptées qu'elles ne peuvent pas faire un cycle complet sans champignon. 2 – Les symbioses ectomycorhiziennes Les symbioses ectomycorhiziennes sont caractérisées par le développement d’ectomycorhizes, consistant en des racines courtes fortement ramifiées qui entourent simplement les racines, formant un manteau de mycélium et un réseau entre les parois des cellules de la racine. Ces symbioses se retrouvent majoritairement chez les plantes ligneuses et se propagent par reproduction sexuée. 3 - Les symbioses endomycorhiziennes Les symbioses endomycorhiziennes concernent 70% des plantes non ligneuses, également dites herbacées. Les symbiontes sont répartis au sein du groupe des gloméromycètes et se reproduisant de façon asexuée. Au contact de la cellule racinaire, l'hyphe forme un appressorium. Le mycélium pénètre dans les cellules du cortex racinaire en repoussant la membrane plasmique sans la traverser. Les hyphes passent ensuite de cellule à cellule et progressent également dans les méats. Dans les cellules corticales, le champignon développe des arbuscules ou des vésicules (pelotons) mais ne pénètre jamais l’endoderme. Les cellules colonisées ne sont en aucun cas détruites, et sont prêtes à accueillir un autre arbuscule éventuel. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 7 V - Les interactions pathogènes Spécificité parasitaire Généralement élevé o 1 espèce de champignon / 1 espèce de plante o 1 race de plante / 1 cultivar Très grande diversité des interactions plantes – microorganismes o Parasite Facultatif (= vie saprophytique) / Obligatoire o Epiphyte, interne intercellulaire, interne intracellulaire Grande diversité des agents phytopathogènes o Champignon o Bactéries o Virus o Nématodes Bien que la spécificité parasitaire soit généralement élevée, il existe une très grande diversité d’agents (champignons, bactéries, virus, nématodes, autres végétaux) et d’interactions phytopathogènes. Le parasite peut ainsi être facultatif ou obligatoire, et épiphyte ou interne intracellulaire ou interne extracellulaire. On distingue deux classes de parasites : Les holoparasites, qui ne possèdent pas de système racinaire et parfois aucune capacité photosynthétique. Ils sont donc des parasites obligatoires. Les hémiparasites ont des racines et des feuilles (donc un système photosynthétique) et sont à la recherche de composés azotés et de sels minéraux. Ils s’accrochent ainsi aux racines (on les dit épirhizes, par exemple le gui) ou aux parties externes de la plante (ils sont alors considérés d’épiphytes, par exemple le striga) Reconnaissance et accueil/Résistance Il existe un échange de signaux entre le parasite et son hôte, ce dernier indiquant qu’il est temps au parasite de former son haustorium. La résistance des plantes à ces interactions dépend essentiellement de leur génotype. Les parasites obligatoires peuvent perdre les gènes (au cours de l’évolution) qui leur permettraient d’évoluer seuls tels que les gènes nécessaires à la photosynthèse. Conclusion Localisation pré-définie / «confinement » du microsymbionte Nouvelles structures chimériques Nouvel Organe formé par l’hôte La plante définit la structure Symbiose : Création d’une niche écologique pour le microorganisme de nouvelles voies métaboliques Importance écologiques pour l’hôte Colonisation des milieux arides et extrêmes, Meilleure Résistance aux stress Avantage sélectif Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 8 Aide pour TD : Exudat racinaire : composés que la plante sécrète dans le milieu (=rhizosphère), au moins 20% du carbone qu’elle a ingéré. Ces composés permettent la croissance des bactéries bénéfiques pour la plante au détriment des bactéries pathogènes. Fraction hydrophobe : molécules hydrophobes de l’exudat, tels que des flavonoïdes qui peuvent être : - Un facteur de croissance - Un facteur de reconnaissance, qui indique au symbionte que sa plante hôte est à proximité Les arbuscules sont mis en évidence par coloration des parois et des peptidoglycanes du champignon Lorsque l’on infecte une plante par un virus, on veut voir si la plante parasite permet de transférer ce virus à la plante hôte. Si cela est possible, le transfert peut être bidirectionnel et se faire au travers de plasmodesmes créés entre l’hôte et le parasite. La GFP (Green Fluorescent Protein) est utilisée sur des cellules vivantes contrairement au test Elisa qui utilise des cellules mortes. Ces deux techniques permettent de mettre en évidence la présence de protéines d’intérêt. La GFP interagit avec la protéine et émet de la fluorescence afin de la visualiser. Attention à l’étude par système de feuilles détachées : elle se porte uniquement sur les feuilles, les organes de réserve ne sont pas présents et ne peuvent donc pas entrer en compétition avec les autres feuilles pour les transferts de métabolites. On verra donc un énorme transfert de sucre entre deux feuilles, alors qu’in vivo, ce sucre serait en grande partie transféré aux organes de réserve. Biologie des interactions (Karine Mandon, 2010-2011) 9
