d`accompagnement
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1 Interactions plantes / microorganismes à travers quelques exemples Université de Bourgogne, UFR SVTE Claire OLIVE PAF - 12 janvier 2017 Schématisation de l’interaction entre une plante et des bactéries pathogènes et symbiotiques (D’après Grant et al., 2006). Introduction : les notions de plante et micro-organisme Rhodobiontes (Algues rouges) 2 Ulvophytes (Algues vertes) Lignée verte Chlorobiontes Charophytes Embryophytes (Archégoniates) Haptophytes (Coccolithophoridées) Diatomées Straménopiles Phéophycées Lignée brune (Algues brunes) Dinophytes Oomycètes (Mildiou de la vigne) Alvéobiontes Ciliés (Paramécies) Apicomplexés Organismes photosynthétiques Euglénobiontes Champignons sens large Eumycètes Opistochontes Métazoaires Mycétozoaires (Myxomycètes) Phylogénie simplifiée des Eucaryotes d’après Lecointre et Le Guyader (2006) Introduction : les notions de plante et micro-organisme Notre perception du monde microbien 1700 1800 1900 3 2000 Temps (années) Vie microbienne A. van Leeuwenhoek (1632‐1723) Phylogénie moléculaire et classification naturelle E. Zuckerkand & L. Pauling (1965) Woese et al. (1977, 1990) Microbiologie environnementale Introduction – les notions de plante et micro-organisme L’écologie moléculaire, entre biais et puissance 4 Techniques actuelles d’écologie moléculaire : comment connaître la diversité microbienne écosystémique ? Introduction – les notions de plante et micro-organisme 5 * * * * * Acquisition pluricellularité Introduction - Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 6 Photographie de trichomes à la surface foliaire de tomate observée au microscope électronique à balayage (d’après Ojanen-Reuhs et al., 1997). 1 mm Colonisation d’une feuille de tomate par X. axonopodis pv. vesicatoria. La flèche indique la localisation préférentielle des massifs bactériens au niveau des trichomes. Introduction - Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 7 Micrographie (microscope confocal à fluorescence) de la flore microbienne naturelle de la phyllosphère de Haricot (Phaseolus vulgaris). 20 mm Marquage fluorescent par Live BacLight, qui confère une fluorescence verte aux bactéries Gram-négatives et une florescence rouge aux bactéries Gram-positives. Introduction – Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 8 Composition des communautés bactériennes identifiées dans la phyllosphère du seigle (Lolium perenne) et de l’olivier (Olea europea) (d’après Hirano et Upper, 2000). Introduction – Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 9 Observation microscopique de bactéries marquées au DS-red (fluorescence rouge) adhérant à la surface racinaire (apex). Introduction – Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 10 Vue d’ensemble des interactions plantes-micro-organismes dans la rhizosphère et le sol entourant les racines. V.Coats et M.Rumpho, Front. Microbiol., 23 July 2014 Introduction – Différents lieux d’interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 11 Effets trophiques + + Effets sur la morphogenèse - Effets des PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) sur l’architecture du système racinaire et le fonctionnement racinaire. Frontiers in Plant Science, September 2013, Volume 4 Introduction – Différents types d’interactions 12 Les différents types d’interactions biologiques Gain pour l’espèce B Gain pour l’espèce A Positif Neutre Négatif Positif Mutualisme Symbiose Commensalisme Prédation Parasitisme Neutre Commensalisme Neutralisme Amensalisme Négatif Prédation Parasitisme Amensalisme Antagonisme (dont compétition) Les gains correspondent à des variations de valeur sélective. Introduction – Différents types d’interactions 13 Les interactions symbiotiques Les différents types de contacts entre symbiontes. D’après MA Selosse (2000). Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Symbiose Rhizobium / Fabacées Nodosités sur des racines de Medicago truncatula 14 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Symbiose Rhizobium / Fabacées 15 Electronographie (MET) d’une coupe de nodosité de racine de Glycine, avec bactéroïdes de Bradyrhizobium japonicum. Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 16 Nodosités indéterminée ou déterminée Nodosité indéterminée en coupe, sur Médicago (gauche) et schéma de zonation (droite) D’après Rodriguez-Haas et al., Metallomics, 2013,5, 1247-1253 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Importance biologique de la fixation de N2 17 Cultures d’A. thaliana et épis de Maïs sauvage récoltés avec (gauche) ou sans (droite) intrants nitratés Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 18 Nutrition azotée des plantes Sources minérales d’azote : N2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante ) NH3 ammoniaque NH4+ ammonium N2O oxyde nitreux Faibles quantités NO oxyde nitrique NO2- nitrite NO2 dioxyde d’azote NO3- nitrate Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 19 Nutrition azotée des plantes Sources minérales d’azote : N2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante ) NH3 ammoniaque NH4+ ammonium N2O oxyde nitreux Faibles quantités NO oxyde nitrique NO2- nitrite NO2 dioxyde d’azote NO3- nitrate Les plantes assimilent l’azote sous les formes NH4+ et NO3- • Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-) : nitrate transporter (NRT) • Conversion nitrate en nitrite (NO2-) : Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol • Conversion nitrite en ammonium (NH4+) : Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplaste Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Nutrition azotée des plantes 20 Les plantes assimilent l’azote sous les formes NH4+ et NO3- • Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-) : nitrate transporter (NRT) • Conversion nitrate en nitrite (NO2-) : Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol • Conversion nitrite en ammonium (NH4+) : Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplaste Dans les nodules : • Fixation du N2 atmosphérique par la nitrogénase Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 La nitrogénase 21 N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi Modélisation moléculaire (droite) et schéma fonctionnel (gauche) Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Une symbiose trophique 22 Schéma de la coopération entre cellule hôte et bactéroïde pour la fixation du diazote (Lb : leghémoglobine). D’après MA Selosse (2000). Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 23 Infection des poils absorbants par Rhizobium A = inoculé (« hair curling ») B = non inoculé Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 24 20 mm 20 mm 100 mm Micrographies b, c, d : Détection histochimique de la b-galactosidase de Rhizobium leguminosarum exprimant lacZ, sur racines de Pisum sativum. Oldroyd & Downie (2004). Calcium kinases and nodulation signaling in legumes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 5, 566-576. Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 25 Coupe de racine d’Alphalpha : jeune nodule et racine latérale émergente Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 26 Mise en place de la symbiose Racine de Medicago truncatula : 4 jours post-inoculation Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 27 D’après M.A. Selosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif » Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 28 Dialogue moléculaire entre bactérie et légumineuse lors de la mise en place de la nodosité. D’après M.A. Selosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif » Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose Recherche des acteurs de la voie de signalisation Nod par l’approche génétique chez Medicago truncatula. D’après F.Debelle et al., M/S n° 2, vol. 23, février 2007 29 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 30 Modèle hypothétique des voies de signalisation symbiotiques Nod et Myc chez M. truncatula. NFP : recepteur kinase a domaines LysM ; DMI1 : canal cationique presomptif ; DMI2 : recepteur kinase a domaines LRR ; DMI3 : proteine kinase calcium- et calmodulinedependante ; NSP1, NSP2 : facteurs de transcription. D’après F.Debelle et al., M/S n° 2, vol. 23, février 2007 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose 31 Signalisation en aval des facteurs Nod dans une cellule épidermique. Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Mise en place de la symbiose Modèle moléculaire de formation du nodule au niveau du cortex. 32 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2 Importance dans le cycle du N 33 Bactéries dénitrifiantes H2 + 2NO3- N2 + 6H2O Bactéries nitriques NO2- + ½ O2 NO3- Bactéries nitreuses NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2H+ Partie 2 : les mycorhizes Diversité des mycorhizes 34 Principaux types d'associations symbiotiques entre des champignons (en bleu) du sol et des racines de végétaux (A) racine sans mycorhize, (B) endomycorhizes à vésicules et à arbuscules (MA) (C) endomycorhizes à pelotons, (D) ectendomycorhizes, (E) ectomycorhizes chez les Angiospermes, (F) ectomycorhizes chez les Gymnospermes (Duhoux & Nicole, 2004). Partie 1 : les mycorhizes 35 Des échanges trophiques Partie 2 : les mycorhizes Ectomycorhizes (ECM) 36 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) Gigaspora margarita (Gloméromycète) sur des racines de lotier (Lotus japonicus, Fabacées) 37 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) 38 La zone arbusculaire PAS = PeriArbuscular Space PAM = PeriArbuscular Membrane Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) 39 Prélèvement du phosphate (Pi) par des racines non mycorhizées (a) ou mycorhizées (b) Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, 763775 (October 2008) Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) Flux métaboliques dans l’AM Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) 40 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) 41 Attribution des ressources de carbone de la plante à ses différents symbiotes en fonction de leur niveau de coopération. Si la valeur indiquée par le trait dans le rectangle gris est au-dessus de zéro, cela signifie que davantage de carbone a été attribué à l'espèce du haut. Kiers et al. 2011 - Science Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) Signalisation endosymbiotique précoce LCOs = lipochitooligosaccharides EP Journet – LIPM Toulouse 42 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) Etapes du développement de l’AM PPA = prepenetration apparatus Myc = mycorrhiza factors 43 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(AM) 44 Nodulation et mycorhization : des acteurs communs de la voie de signalisation Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) Partie 2 : les mycorhizes Mycorhizes et évolution des plantes terrestres 45 Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes La théorie endosymbiotique 46 Konstantin Mereschkowsky, 1905 Lynn Margulis, 1967 • Mitochondries et chloroplastes dérivent des mitochondries et chloroplastes préexistants (scissiparité) • Organites entourés par une double membrane, nature de la membrane interne • Ribosomes de type bactérien ‐ synthèse de leurs protéines • Génomes (souvent 1 molécule d’ADN circulaire) … avec des gènes de type procaryote Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes La théorie endosymbiotique 47 Arbre obtenu à partir de 21 séquences complètes d'ARN ribosomial 16S et 18S de bactéries, d'Eucaryotes, et d’organites semi-autonomes. (Pace, Olsen et Woese, 1986) Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes … et l’origine de la cellule eucaryote 48 Deux hypothèses pour l’origine de la cellule eucaryote A- Scénario en deux étapes : - Création par fusion bactérie/archée d’une cellule eucaryote amitochondriale puis - endosymbioses avec une a-protéobactérie. B- Création simultanée du noyau eucaryote et de la mitochondrie. Le partenaire bactérien est toujours une aprotéobactérie. Le partenaire archée varie suivant les théories (ici méthanogène). Embley, T. M. & Martin. W. Eukaryotic evolution, changes and challenges. Nature 440, 623–630 (2006). Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Diversité actuelle des plastes 49 Diversité ultrastructurale des plastes de quelques lignées d’Eucaryotes D’après Robert et Roland (1998) modifié par Jean. Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Diversité actuelle des plastes 50 Les chloroplastes chez les Eucaryotes. Les groupes possédant des chloroplastes sont encadrés en vert. D’après Koonin, 2010. Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Une endosymbiose primaire à l’origine de la lignée verte 51 Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes 52 Des endosymbioses secondaires Schéma d’un Cryptophyte Les Cryptophytes sont de petites algues unicellulaires. Elles contiennent quatre génomes distincts situés respectivement dans leur noyau, dans les mitochondries, dans le nucléomorphe (noyau vestigial) et dans le plaste. D’après MA Selosse (2000). Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Des endosymbioses secondaires 53 Arbre phylogénétique des Eucaryotes, construit à partir des séquences des gènes nucléaires codant les ARNr des petites sousunités ribosomiques NM = codage par ADN du nucléomorphe NU = codage par ADN du noyau Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes 54 Des endosymbioses secondaires Relations de parenté entre chloroplastes et Cyanobactéries déduites de l'étude de 6 protéines (Reyes Prieto et al., 2007) Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Modèle de l’origine des plastes de différents taxons 55 Keeling, 2013 Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes Modèle de l’origine des plastes de différents taxons 56 Keeling, 2013 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Diversité des MO pathogènes 57 L’érinose (Colomerus vitis, Acarien) Mildiou (Plasmopara viticola, Oomycètes) Oïdium (Erysiphe necator, Ascomycètes) La pourriture grise (Botrytis cinerea, Ascomycètes) Maladie de Pierce (Xylella fastidiosa, Protéobactérie) Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Diversité des MO pathogènes 58 30 mm L’érinose (Colomerus vitis, Acarien) Mildiou (Plasmopara viticola, Oomycètes) Oïdium (Erysiphe necator, Ascomycètes) La pourriture grise (Botrytis cinerea, Ascomycètes) Maladie de Pierce (Xylella fastidiosa, Protéobactérie) Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Défense des plantes : immunité inductible MTI = PTI 59 Le système immunitaire des plantes en interaction avec des microbes. MAMP = PAMP = Microbe (Pathogene)-Associated Molecular Pattern D’après Heribert Hirt, 2012 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d’infection et résistance ETI 60 ETI Réponse HR Le système de sécrétion de type III est utilisé par des bactéries pathogènes des plantes et des animaux (Pseudomonas, Yersinia, Salmonella, Shigella…) pour injecter des protéines (effecteurs ; ici protéines Avr) dans le cytoplasme de l’hôte. Hrp = Hypersensitive Response and Pathogenicity ; Avr = Avirulence ; ETI Effector Triggered Immunity ; HR = Hypersentive Response Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d’infection et résistance ETI 61 ETI Structure du système de sécrétion de type III (SST3) des bactéries phytopathogènes (D’après Büttner & He, 2009). Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Modèle « gène pour gène » de l’ETI 62 ETI Modèle génétique de la relation « gène pour gène ». La résistance de la plante, souvent associé à la HR, ne s’établit que si la plante possède un gène R correspondant à un gène Avr de l’agent pathogène. Dans tous les autres cas, la maladie se met en place (Flor, 1971) Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d’infection 63 Les mêmes gènes bactériens peuvent être impliqués dans la pathogénicité sur les plantes et sur les animaux. Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Une course à l’armement 64 Infection par le pathogène du maïs Cochliobolus Production d’une toxine inhibant la transcription des gènes de défense. Les plantes résistantes produisent une réductase de l’HC-toxine. Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Une course à l’armement 65 Le modèle « zigzag » illustre l’intensité des réponses des défenses végétales mises en place au cours du dialogue entre la plante et la bactérie (D’après Jones & Dangl, 2006). Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Importance économique 66 Production réelle et pertes estimatives de huit récoltes de 1988 à 1990, par parasite et par région (en billions$ US) E. Oerke et al., “Crop production and crop protection : Estimated losses in major food and cash crops » Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes 67 Agrobacterium tumefasciens Galle du collet sur racine de Carya illinoensis (Pacanier). Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes 68 Agrobacterium tumefasciens Electronographie d’Agrobacterium tumefaciens sur racine de carotte (gauche) et cycle de développement (droite). Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Agrobacterium tumefasciens 69 Schéma général de l’infection d’une cellule hôte par A.tumefasciens. Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Agrobacterium tumefasciens Technique de transgénèse par utilisation d’A.tumefasciens. 70 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 71 Compétition intraspécifique ?... Nb de germinations Prunus serotina À 4 mois A 6 mois Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative Influence microbienne 72 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 73 Comita et al. (2010) Sur 31 000 plantules de 180 espèces d’arbres des forêts du Panama Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 74 Bagchi et al. (2010), sur Pleradenophora longicuspis (Euphorbiacée) en ombrière (a) ou in situ (b), au Bélize La densité-dépendance négative, une cause microbienne potentielle pour : - la rareté de certaines espèces - l’hyper-diversité végétale tropicale CONCLUSION 75 Les applications agronomiques Interactions entre plantes et les bactéries coopératives (ici PGPR) dans la rhizosphère http://www.ecologiemic robiennelyon.fr/spip.ph p?rubrique29&debut_b iblio=50&lang=fr CONCLUSION 76 Des réseaux d’organismes Etude de 6400 m2 de forêt Corse (Fango) Richard et al., 2006. New Phytologist 166: 1011 228 arbousiers 105 chênes verts 15 000 mycorhizes typées CONCLUSION 77 Des réseaux d’organismes Plus de 500 espèces de champignons mycorhiziens : la diversité n’est pas ce qu’on voit… et la symbiose mycorhizienne est un réseau MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011 CONCLUSION Des réseaux d’organismes 78 Neottia nidus-avis… associée avec des Sebacina… … elles-mêmes associées aux arbres voisins CONCLUSION Des réseaux d’organismes MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011 79 CONCLUSION Des réseaux d’organismes… ayant permis une évolution vers l’hétérotrophie ou la mixotrophie 80 Une évolution originale, grâce aux réseaux mycorhiziens – chez les Orchidées, mais aussi des Ericacées, des Gentianacées et des Polygonacées (tropicales), etc. MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011 Merci de votre attention ! 81 ANNEXE Symbiose fougère aquatique / cyanobactéries Association symbiotique entre Azolla et Anabaena. 82 ANNEXE Symbiose actinorhizienne Frankia / Alnus Section d’un nodule d’Aulne 83 ANNEXE Mycorhizes orchidoïdes Peloton jeune entourant un reste de peloton lysé (stade 4) Peloton âgé, lysé (stade 2) Peloton très âgé, très lysé (stade 3) Peloton jeune, hyphes bien visibles (stade 1) CT de racine d’Orchidée mycorhizée 84 ANNEXE Signalisation Nod (nodulation) 85 Front. Plant Sci., 22 December 2015 | https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01121 ANNEXE Structure de la nitrogénase 86
