3 Le dialogue moléculaire tripartite (plante, bactérie et

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Introduction
La symbiose, c’est-à-dire l’aptitude à établir des associations à bénéfice mutuel, est un type de
relation entre certains organismes vivants qui est apparue très tôt pour jouer un rôle important et
fondamental dans l’évolution. Notamment, il y a 400 millions d’années, la colonisation du milieu
terrestre par les plantes a été facilitée par la formation de symbioses entre les racines de nombreuses
espèces végétales et des champignons appelés mycorhizes à arbuscules à cause des structures que le
champignon forme à l’intérieur des cellules des racines [1]. Pour des raisons similaires d’adaptation à
la vie terrestre, un autre type de symbiose s’est développé entre des bactéries fixatrices d’azote de
type Rhizobium et des plantes de la famille des Fabacées, aboutissant à la formation d’excroissances
racinaires de la plante hébergeant les bactéries, les nodules. Ces deux types de symbiose racinaires
jouent un rôle considérable dans le fonctionnement des écosystèmes naturels et dans la nutrition
phosphatée et azotée des plantes.
De ce fait, ces différentes symbioses sont de véritables coopérations permises par des
interactions spécifiques entre un symbiote et une plante hôte, auxquelles les agricultures se sont
particulièrement intéressées pour améliorer la nutrition phosphatée et azotée des plantes ainsi que leur
rendement. C’est pourquoi, depuis plusieurs années, des études sur la formation, le développement et
le fonctionnement des symbioses ont été réalisées afin de pouvoir exploiter mieux ces systèmes
symbiotiques, notamment dans le cadre de systèmes agricoles durables. Ainsi, des chercheurs ont
découvert récemment qu’il existait un vrai dialogue moléculaire entre la plante hôte et le symbiote et
que différents signaux (d’appels ou de fonctionnement) étaient échangés entre ces deux partenaires
[2].
Le terme « dialogue moléculaire » a été utilisé la première fois par Dénarié et al. en 1993 [3]
pour décrire les échanges de signaux chimiques qui existent lors de l’infection des racines des
Fabacées par les Rhizobium [4]. Ce terme a ensuite été emprunté pour la symbiose avec les
Mycorhizes.
Alors, nous devons nous demander quels sont les signaux d’appels et de fonctionnement qui
entrent dans le dialogue moléculaire entre les différents symbiotes (Rhizobium et Mycorhizes) et les
Fabacées. Mais aussi comment se fait la mise en place de ces deux types de symbioses et comment
fonctionnent-elles ?
Dans ce but, nous avons choisi de vous présenter :
- en première partie, le dialogue moléculaire entre les Rhizobium et les Fabacées
- en deuxième partie, celui entre les mycorhizes et les Fabacées
- et dans une dernière partie, le dialogue moléculaire tripartite.

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1 Le dialogue moléculaire entre les Rhizobium et les Fabacées :
Introduction
Aujourd’hui, nous savons que la symbiose est une association bénéfique entre ces deux types
de partenaires, c'est-à-dire que chaque partenaire a un intérêt particulier pour l’autre partenaire [2]. En
effet, ce type d’association est une symbiose Rhizobium-Fabacées apparu il y a 70 millions d’années
[1]. Nous savons également que bien que l’azote moléculaire (N2) constitue environ 80% de
l’atmosphère terrestre, l’azote constitue un facteur limitant majeur de la croissance des végétaux
cultivés. Ce paradoxe est bien dû au fait que la molécule d’azote est très stable et que les organismes
supérieurs (Eucaryotes) sont incapables de l’utiliser. Seules des bactéries (Procaryotes) sont capables
de réduire N2 en ammoniac (NH4+), c’est-à-dire de « fixer » l’azote en le rendant assimilable par les
plantes. Mais cette réduction nécessite beaucoup d’énergie : c’est pourquoi les systèmes fixateurs les
plus efficaces sont constitués par des plantes capables de former des organes particuliers, les
nodosités racinaires, où elles hébergent des bactéries fixatrices mais aussi des substances spéciales
tels que les leghémoglobines [1,5]. Ces leghémoglobines sont des substances protéiques, appelées
nodulines, qui jouent un double rôle : elles approvisionnent les bactéries gourmandes en oxygène et
facilitent la diffusion de l’oxygène sous très faible pression à l’intérieur des nodosités [5]. Dans cette
symbiose, la plante fournit de l’énergie et des composés carbonés à la bactérie qui en retour fournit de
l’azote assimilable à son hôte [1]. Ces nodosités produisent chaque année plus d’azote assimilable
que l’industrie des engrais [1].
Par ailleurs, des chercheurs ont découvert que des échanges de signaux chimiques existaient
entre les bactéries du sol (les Rhizobium) et les Fabacées, ce qui correspond à un dialogue
moléculaire entre les deux partenaires permettant leur reconnaissance et l’établissement de la
symbiose. Suite à cette découverte en 1993 par Dénarié et al. [3], deux nouveaux signaux ont été
découvert en 1986 [4]. Ce sont des flavonoïdes inducteurs de gène Nod. Ces flavonoïdes peuvent être
soit de la lutéoline produite par Medicago sativa (la luzerne), soit du 7,4’ dihydroxyflavone produit
par Trifolium repens (le trèfle blanc) [6]. La première forme de facteur Nod a été décrite en 1990 chez
la bactérie Sinorhizobium meliloti [7]. Ce sont ces dernières années que les découvertes ont été les
plus importantes sur les flavonoïdes déclencheurs de gènes Nod (qui représentent de véritables
signaux), découverts notamment dans les tissus épidermiques et les exsudats des Fabacées [4]. Les
chercheurs ont recherchés peu de temps après ces découvertes les rôles de ces molécules
(flavonoïdes) et ont découvert que ces deux types de molécules étaient très importants dans la gestion
de l’association et des échanges entre les deux partenaires symbiotiques [4]. Par la suite, ils ont
également découvert de nombreux autres signaux agissant comme de véritables déclencheurs de gène
Nod (l’acide aldonique, les xanthones, les phénoliques simples…) [4]. Il a également été mis en
évidence qu’en plus des facteurs Nod et des polysaccharides de surface synthétisés par les Rhizobium,
d’autres types de protéines (de type I, III et IV ; des bradyoxetines…) contribuent au dialogue
moléculaire [4]. A présent, les chercheurs ont décidé de mettre l’accent sur la signification exacte de
l’implication de ces molécules dans le dialogue moléculaire entre les Rhizobium et les Fabacées, et ce
pour les vingt prochaines années [4].
1.1 Les premiers signaux d’appel pour la reconnaissance des futurs
partenaires
Tout d’abord ces signaux d’appels sont émis par chacun des deux partenaires : des substances
chimiques sont émises à la fois par la bactérie Rhizobium mais aussi par les racines des Fabacées [4].
Les premiers signaux d’appel, qui sont à l’origine de la symbiose, proviennent des racines des
Fabacées [8]. Ce sont notamment des composés volatiles organiques (VOCs) [2], des flavonoïdes et
des attractants chimiques [4]. Les flavonoïdes induisent l’expression de gènes Nod puis de facteurs
Nod chez le Rhizobium [4,8]. Dans un deuxième temps, les bactéries émettent à leur tour des signaux
d’appel qui seront à l’origine de la formation des nodosités, tels que des facteurs Nod, mais aussi des
protéines de type I et III, des polysaccharides de surface ou encore des hormones [4].

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C’est pourquoi nous verrons en premier lieu les signaux émis par les racines des Fabacées
(Tableau 1) puis ceux émis par les Rhizobium (Tableau 2).
1.1.1 Les signaux émis par les racines des Fabacées
Tableau 1 : Signaux émis par les racines des Fabacées
Les composés volatiles organiques
(VOCs)
Les attractants
chimiques
Les flavonoïdes
Ce sont les premières substances organiques
volatiles libérées par les racines des Fabacées
dans le but d’attirer des micro-organismes du
sol capables de transporter des bactéries
rhizobium comme par exemple les nématodes
ou autres larves. Le composé le plus attractant
est le sulfure de diméthyle mais il en existe
d’autres tels que l’octane, l’hexanal ou le
disulfure de diméthyle qui ont un pouvoir
attractant moins important mais qui sont
importants pour le développement de la
symbiose. [2]
Ces deux substances
combinées permettent
d’attirer les bactéries et
d’améliorer la formation
de la colonisation
racinaire [4].
Ce sont des substances émises par
les racines des Fabacées qui
agissent comme des déclencheurs
de gènes Nod, permettant
notamment la formation de nodules
à l’origine de la symbiose. Il en
existe plusieurs sortes : ceux qui
servent d’appels (glycones ou
aglycones), et ceux qui ont un rôle
dans le fonctionnement de la
symbiose en tant que telle et que
nous aborderons par la suite [4].
1.1.2 Les signaux émis par les Rhizobium
Tableau 2 : Signaux émis par les Rhizobium
Les facteurs Nod
Les protéines de type I
et III
Les hormones
Ces sont des composés qui sont essentiels
dans le développement symbiotique et
particulièrement la pénétration des Rhizobium
dans les racines des Fabacées. Ils jouent de
multiples rôles suite aux réponses des racines
des Fabacées : déformation des racines,
formation des nodules au niveau des racines,
attraction des cheveux racinaires vers les
bactéries [4].
Ces deux protéines ont des
rôles différents : la protéine
de type I permet de faciliter
l’infection des bactéries
dans les racines, celle de
type III est responsable de la
production de protéine
externes de nodulation [4].
Ce sont des substances émises
par les Rhizobium qui servent à
la progression de la colonisation
racinaire mais qui ont aussi un
rôle dans la formation de
nodules. Les hormones les plus
synthétisées par les Rhizobium
sont les acides indoles acétiques
(IAA) [4].
Une fois que les premiers signaux ont été échangés entre les deux partenaires, la symbiose va se
mettre progressivement en place et d’autres substances chimiques seront nécessaires pour que les
deux partenaires puissent communiquer et s’organiser dans leur symbiose [4].
1.2 La mise en place de la symbiose
Chez la quasi-totalité des Fabacées étudiées jusqu’à présent, qu’elles soient d’origine tempérée
(comme le pois, la luzerne ou le trèfle) ou tropicale (comme le soja, le haricot ou l’arachide), la
pénétration du Rhizobium se produit uniquement au niveau des racines [5]. Ce sont les signaux
symbiotiques, en général des flavonoïdes, secrétés par les racines des Fabacées qui induisent
l’expression de gènes Nod chez le Rhizobium [4,8]. Ces gènes Nod contrôlent et régulent la
production de signaux bactériens, les facteurs Nod (fig. 1). Ces facteurs Nod, qui sont des oligomères
de chitine N-acylés par une chaîne d’acide gras [1], sont reconnus par deux complexes récepteurs à
haute affinité provenant de la plante hôte (NFR1 et NFR5) pour les transporter jusqu’à l’enzyme
SYMRK (une kinase réceptrice) (fig. 1) [8]. Ensuite ces facteurs seront par la suite intégrés par cette
enzyme SYMRK déclenchant ainsi le mécanisme d’amplification et de transduction des trois gènes
DMI (fig.1) [8]. Enfin le gène DMI3 induit la formation des nodosités (fig.1) [1]. Les facteurs Nod
induisent en retour de profondes transformations dans les racines de l’hôte pour préparer l’infection
symbiotique et induire l’organogenèse des nodosités (réorganisation du cytosquelette, activation de la
transcription de gènes symbiotiques précoces, induction de divisions cellulaires…) [1].

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Chez nombre d’espèces de Fabacées des régions tempérées, l’infection débute lorsque des
Rhizobium spécifiques, présents dans le sol, entrent dans les racines par l’extrémité des poils
absorbants ; ceux-ci se recourbent en crosse (fig. 2) [5]. Il se forme alors dans le poil absorbant un ou
parfois plusieurs cordons d’infection, structure tubulaire à l’intérieur de laquelle les cellules de
Rhizobium se disposent en file (fig. 2) [5]. En 48 heures le cordon d’infection atteint la base du poil
absorbant, puis pénètre dans les cellules de l’écorce de la racine, ou cortex (fig. 2) [5]. Sous
l’influence d’un médiateur chimique provenant de la bactérie, certaines cellules de la racine se
divisent activement pour former un méristème [5]. Les cellules de Rhizobium contenues dans les
cordons d’infection sont libérées dans le cytoplasme de ces cellules méristématiques (fig. 2) [5]. A ce
stade, les bactéries présentent déjà des caractéristiques morphologiques et physiologiques différentes
de celles que présentent les Rhizobium du sol avant leur pénétration dans le poil absorbant [5]. C’est
sous cette forme appelée « bactéroïdes » que les Rhyzobium sont capable de fixer l’azote [5]. Chaque
bactérie libérée du cordon infectieux est entourée d’une enveloppe appelée membrane péribactéroïde
[5]. Il peut y avoir dans chaque enveloppe de un à plus de vingt bactéroïdes, selon l’espèce végétale
et l’âge du nodule. Chez certaines Fabacées, chaque cellule-hôte du cortex racinaire peut héberger
jusqu’à plusieurs milliers de bactéroïdes [5]. Les cellules infectées se multiplient jusqu’à former, à la
surface des racines des excroissances d’une taille variable : de 0,5 à 4 mm [5]. Ce sont les nodules,
dont l’aspect est propre à chaque espèce de légumineuse infectée [5]. Cependant ces nodules sont de
très gros consommateurs d’oxygène [5]. Ce paradoxe est résolu par la présence, dans les nodules, de
substances spéciales telles que les leghémoglobines, qui jouent un double rôle : elles alimentent les
bactéries en oxygène et facilitent en même temps la diffusion de l’oxygène sous très faible pression à
l’intérieur des nodules. [5]
1.3 Le fonctionnement de cette symbiose
Durant le fonctionnement de la symbiose chaque partenaire contrôle l’expression du programme
symbiotique de son associé à l’aide de certains signaux moléculaires spécifiques [4]. Ces signaux
agissent de façon spécifique à des concentrations extrêmement faibles ce qui implique l’existence
chez la plante hôte de récepteurs à haute affinité et de mécanismes d’amplification et de transduction
de ces signaux [1]. Aujourd’hui la génétique a identifié plusieurs gènes contrôlant la perception de
facteurs Nod, provenant des bactéries, et la transduction du signal chez la plante hôte (gènes DMI1,
DMI2 et DMI3) [1]. La colonisation du cortex et le développement des nodules sont contrôlés par un
programme génétique et un ensemble de signaux cités ci-dessus et provenant de la plante hôte [8]. La
plante peut également contrôler le niveau de colonisation des bactéries [8,9].
Conclusion
Nous venons de voir que les bactéries étaient capables d’établir une étroite relation avec les
racines des Fabacées telles que la luzerne ou le trèfle ; il s’agit donc d’une association de type
symbiose. Cependant les plantes n’interviennent pas seulement avec ces bactéries mais aussi avec des
champignons que sont les Mycorhizes ; il s’agit également d’une association de type symbiose.
2 Le dialogue moléculaire entre les Mycorhizes et les Fabacées :
Introduction
L’aptitude à établir des associations à bénéfice mutuel est une caractéristique très ancienne des
organismes vivants, et certaines de ces symbioses ont joué un rôle fondamental dans l’évolution. En
effet, il y a environ 400 millions d’années, la colonisation du milieu terrestre par les plantes a été
associée à la formation de symbioses appelées Mycorhizes à Arbuscules (ou Endomycorhize) à cause
de ses structures que le champignon forme à l’intérieur des cellules de racines et qui facilitent les
échanges de métabolites ente partenaires [1]. Ces Mycorhizes jouent un rôle important dans la
nutrition phosphatée des plantes et sont présentes chez plus de 80% des espèces végétales existantes,
chez des mousses, fougères, gymnospermes et angiospermes [1].

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Dans cette association, la plante fournit des sucres et d’autres substances chimiques au
champignon qui en retour facilite l’absorption d’éléments minéraux (et plus particulièrement la
nutrition phosphaté) de son hôte [1]. Le maintien de ces associations au cours de l’évolution témoigne
de l’importance de ces symbioses dans l’adaptation des plantes au milieu [1]. Mais un autre type de
Mycorhize s’est développé par la suite, il s’agit de l’Ectomycorhize [10]. Ce deuxième type de
Mycorhize est plus récent et consiste en une symbiose entre les arbres ligneux ou les arbustes et les
champignons Ectomycorhiziens [10]. Par ailleurs, des chercheurs ont découvert que des échanges de
composés chimiques existaient entre les champignons du sol (Mycorhizes) et les Fabacées, ce qui
correspond également à un dialogue moléculaire entre les deux partenaires permettant leur
reconnaissance et l’établissement de la symbiose [10]. C’est en 1993 qu’il a été découvert que ces
composés jouaient un rôle significatif dans l’interaction entre les plantes et l’environnement biotique
et abiotique [10,11]. Mais les premiers types de composés ont été découverts en 1989 par Gianinazzi-
Pearson et al. [10,12]. Ce sont des flavonoïdes qui sont libérés par les racines des Fabacées, et qui
déclenchent la germination du champignon mycorhizien [12]. En 1987 et en 1990, deux autres types
de composé ont été découverts [10]; ce sont les exsudats de racines de plantes déficientes en
phosphates (Elias and Safir, 1987) [13] et les composés volatiles (Nemec and Lund, 1990) [14]. Par la
suite, les chercheurs ont découvert de nombreux autres signaux agissant comme de véritables
déclencheurs de l’association mycorhizienne comme par exemple des pigments ou des hormones
[8,12]. Mais à présent, les chercheurs ont décidé de mettre l’accent sur la signification exacte de
l’implication de ces molécules dans le dialogue moléculaire entre les Mycorhizes et les Fabacées, et
ce pour les dix prochaines années [15].
2.1 Les premiers signaux d’appel pour la reconnaissance des futurs
partenaires
En premier lieu, ces signaux d’appels sont émis par chacun des deux partenaires : des
substances chimiques sont émises à la fois par le champignon mais aussi par les racines des Fabacées
[10]. Les premiers signaux d’appel, qui sont à l’origine de la symbiose, proviennent des racines des
Fabacées [15]. Ce sont des exudats comprenant des composés volatiles organiques (VOCs), des
flavonoïdes et des attractants chimiques qui permettent la germination des hyphes des champignons
mycorhyziens [10,15]. Les flavonoïdes, induisent l’expression de gènes Myc puis de facteurs Myc
chez le Mycorhize [1]. Dans un deuxième temps, les champignons émettent à leur tour des signaux
d’appel en réponse aux premiers signaux émis par les racines, tels que des facteurs Myc, mais aussi
des composés chitiniques, des protéines, des polysaccharides de surface ou encore des hormones [1],
[10]. C’est pourquoi nous verrons en premier lieu les signaux émis par les racines des Fabacées puis
ceux émis par les Mycorhizes.
2.1.1 Les signaux émis par les racines des Fabacées
Les signaux émis par les racines des Fabacées pour les Mycorhizes sont les mêmes que pour
les Rhizobium (voir ci-dessus), mais les flavonoïdes agissent ici comme des déclencheurs de gènes
Myc (Tableau 3) [1].
2.1.2 Les signaux émis par les Mycorhizes
Tableau 3 : Signaux émis par les Mycorhizes
Les facteurs Myc
Les hormones
Ce sont des composés qui sont essentiels dans le développement
symbiotique et particulièrement la pénétration des Mycorhizes dans les
racines des Fabacées. Ils jouent de multiples rôles suite aux réponses
des racines des Fabacées : déformation des racines, morcellement de
la vacuole centrale, le volume du cytoplasme augment
considérablement, attraction des hyphes des champignons vers les
racines des Fabacées [8].
Ce sont des substances émises par les
Mycorhizes qui servent au
fonctionnement de la symbiose [10].