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. 1 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]. 2 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 Les hormones et III 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]. 3 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]. 4 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 GianinazziPearson 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 hormones Ce sont des composés qui sont essentiels dans le développement Ce sont des substances émises par les symbiotique et particulièrement la pénétration des Mycorhizes dans les Mycorhizes qui servent au racines des Fabacées. Ils jouent de multiples rôles suite aux réponses fonctionnement de la symbiose [10]. 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]. Les facteurs Myc 5 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. 2.2 La mise en place de la symbiose Dans la plupart des cas, comme par exemple avec les Fabacées, le champignon forme un appressoria lorsque celui-ci arrive au contact des racines de la plante concernée [8]. Cette structure d’infection (= appressoria) est en fait mis en place par un contact seulement physique de celle-ci avec une couche de cellules épidermiques isolée de racines et en absence d’échange de signaux [8]. Mais avant cette formation de cet appressoria, des signaux symbiotiques de types flavonoïdes sont sécrétés par les racines et induisent l’expression de gène Myc du Mycorhize [1,8]. Ces gènes Myc contrôlent et régulent la production de signaux fongiques, les facteurs Myc (fig.1). Ces facteurs My 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 le mécanisme d’amplification et de transduction des trois gènes DMI [8]. Enfin le gène DMI3 induit la formation des hyphes ou appressoriums (fig.1) [1]. Ces facteurs Myc, induisent de profondes transformations dans les racines de l’hôte pour préparer l’infection symbiotique et induire l’organogenèse des appressoriums (morcellement de la vacuole centrale, augmentation du volume du cytoplasme, attraction des hyphes des champignons vers les racines des Fabacées…) [8,10]. Durant la formation de l’appressorium, les cellules épidermiques sous jacentes réagissent avec un programme de réorganisation cellulaire qui est assez intéressant [8,9] (fig. 3). Premièrement, le noyau migre rapidement à une position juste endessous de l’appressorium et ensuite il s’éloigne et se rapproche près d’un agrégat de microtubules formant ainsi une structure en forme de doigt : l’appareil de pré-pénétration (PPA) (fig. 3) [8]. Celuici pénètre à l’intérieur des cellules du lumen [8]. Cette structure contient des quantités importantes de réticulum endoplasmique mais aussi des microtubules et des filaments cellulaires [8]. L’appareil de pré-pénétration (PPA) définit une trajectoire à travers les cellules, ce qui permet l’invasion et la pénétration des hyphes fongiques (fig. 3) [8]. Pendant la mise en place de la symbiose, d’autres signaux sont émit comme c’est le cas avec l’appressoria qui émet un signal local qui permet aux cellules épidermiques sous-jacentes de le détecter avec précision [8]. La colonisation intracellulaire des premières cellules épidermiques est suivit par une phase de progression intercellulaire du champignon à l’intérieur du cortex racinaire et le long de ses cellules longitudinales (fig. 4) [8]. Cette phase est contrôlée par des signaux provenant des racines des plantes [8,10]. Le développement de la symbiose se poursuit par l’établissement d’une interface symbiotique qui sert à échanger des substances nutritifs et des signaux possibles [8,16,17]. Le champignon a inventé une structure intracellulaire spécialisée, l’arbuscule, pour faciliter l’échange des éléments nutritifs avec la plante [8,16,17]. Celle-ci est composée d’une ramification d’hyphes importants avec des bouts terminaux très fins ce qui permet d’avoir un rapport de volume de surface plus grand qu’avec un hyphe normal et un transfert d’éléments nutritifs particulièrement efficace [8,18]. La formation de ces arbuscules, comme l’entrée à l’intérieur des cellules épidermiques des racines, est accompagnée par des changements importants dans l’organisation cellulaire des cellules hôtes [8]. Par exemple, le morcellement de la vacuole centrale, la migration nucléaire à partir de la périphérie jusqu’au centre de la cellule, et le réarrangement du cytosquelette [8,19,20]. Bien que les arbuscules sont intracellulaires, ils restent entourés par une membrane de la plante : la membrane péri-arbusculaire (PAM), laquelle est en continu avec le plasmalemme fongique (fig. 5) [8]. L’espace entre la membrane péri-arbusculaire (PAM) et le plasmalemme fongique, c’est à dire l’interface symbiotique, comprend des restes de couches cellulaires fongiques et du matériel apoplastique de la plante (fig. 5) [8]. En fin de compte, l’arbuscule occupe une partie importante du volume cellulaire (fig. 5) [8]. Les cellules habitées par les arbuscules développent par la suite un mécanisme élaboré pour activer le transfert des éléments nutritifs [8]. Elles expriment des transporteurs de phosphate qui résident dans la membrane péri-arbusculaire (PAM) et servent probablement à prendre le phosphate qui est délivré par les arbuscules [8,21,22]. 6 2.3 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 [8,15]. Les arbuscules mycorhiziens sont contrôlés principalement par la plante [8,9]. De plus l’étroite relation entre la plante hôte et le symbiote fongique ainsi que le changement des structures fongiques intracellulaires indiquent que le développement de la symbiose est plus influencé par la plante hôte [8]. D’ailleurs, celle-ci peut contrôler le niveau de colonisation du champignon [8]. Cependant d’autres éléments présents autour ou à l’intérieur de cette symbiose, comme par exemple les substances nutritifs, peuvent aussi influencer le niveau de colonisation racinaire [8]. En effet s’il y a assez d’éléments nutritifs pour une croissance optimale de la plante, alors la colonisation fongique est réduite [8, 23]. Dans d’autres cas, la plante ayant trop d’éléments nutritifs, peut fournir des glucides au champignon sans qu’il y ait de retour en échange de la part du champignon et dans ce cas, celui-ci agirait comme un parasite [8]. Conclusion Nous venons de voir que les champignons étaient capables d’établir une étroite relation avec les racines de plantes hôtes (comme par exemple les Fabacées) ; il s’agit donc d’une association de type symbiose. Par ailleurs, nous observons des similitudes dans les deux types de symbioses présentés cidessus : les plantes peuvent donc intervenir avec des bactéries mais aussi des champignons. Maintenant quelles sont ces similitudes mais aussi les différences entre ces deux types de mécanismes et existe-t-il une relation étroite entre, d’une part, les Rhizobium et les Mycorhizes, et d’autre part, les trois partenaires à la fois (plantes, bactéries et champignon) ? 3 Le dialogue moléculaire tripartite (plante, bactérie et champignon) : Introduction Depuis des millions d’années, ces deux types de symbioses présentés ci-dessus jouent un rôle considérable dans le fonctionnement des écosystèmes naturels et dans la nutrition phosphatée et azotée des plantes [1]. De plus, nous savons que ceux-ci ont été étudiés depuis plusieurs années. Mais ces dernières années, des chercheurs ont découvert qu’il existait une relation entre trois types de partenaires différents : la plante, la bactérie et le champignon (Cluett et Boucher, 1983 ; Barea et al., 1992 ; Vejsadova et al., 1993 ; Xie et al., 1995) [15]. En 1993, Ianson et Linderman ont découvert que les Fabacées établissaient des associations intimes avec les Mycorhizes (AMF) et les Rhizobium [15,24,25]. Cette association est une véritable symbiose mutualiste tripartite (El-Hassanin et Lynd, 1985) [15]. La portée de cette association tripartite est double : les avantages accrus pour la plante et l’acheminement du carbone vers les partenaires hôtes (de manière importante pour les champignons et moins importante pour les bactéries) [15]. En général, cette association est très bénéfique pour les plantes : croissance meilleure pour celles-ci, augmentation des rendements, meilleur contrôle des maladies, nutrition azotée et phosphatée est facilitée et plus grande résistance à la sécheresse [25]. Mais cette association ne profite pas qu’aux plantes [15]. Il existe entre les deux partenaires symbiotiques ; Mycorhizes et Rhizobium, une association assez proche et des chercheurs ont découvert qu’il y avait une influence des champignons mycorrhiziens sur la formation des nodules sur les racines des Fabacées (Ianson et Linderman 1993 ; Ibijbijen et al. 1996 ; Saxena et al. 1997) [24,25,26,27]. Dans tous les cas, la croissance et la productivité des Fabacées sont bien dépendantes d’une association spécifique entre les arbuscules mycorrhiziens et les bactéries de type Rhizobium. De plus le dialogue moléculaire tripartite permettait un meilleur contrôle du développement des plantes mais aussi une augmentation de leurs croissance et rendement. Des études récentes (Dénarié et al., 2004) ont permis de démontrer que les deux types de symbioses partageaient des étapes communes dans la cascade de traduction des signaux symbiotiques [1]. D’ailleurs la découverte de la nature chitinique des facteurs Nod des Rhizobium a été une surprise [1]. En effet les bactéries et les plantes ne produisent pas de composés chitiniques [1], pour quelles raisons une bactérie utiliserait de tels composés comme signaux moléculaires ? 7 Ces mêmes chercheurs (Dénarié et al., 2004) ont proposé la solution suivante : dans la symbiose mycorhizienne, l’évolution aurait sélectionné des mécanismes de signalisation fondés sur la synthèse et la perception de composés de type chitinique, qui sont d’ailleurs abondants chez les champignons [1]. La symbiose Rhizobium-Fabacées aurait utilisé et adapté une partie de ces mécanismes pour la signalisation conduisant à la formation de nodosités [1]. Passons à présent aux similitudes et différences de ces deux types de symbioses. 3.1 Présentation des similitudes et des différences pour les deux types de symbiose Tout d’abord, il est bon de rappeler que ce sont deux types de symbioses que l’on compare ici. Par conséquent, il parait normal d’observer plus de similitudes que de différences. De ce fait, nous verrons en premier lieu, les similitudes puis les différences entre ces deux types de mécanismes. 3.1.1 Les similitudes entre les deux types de mécanismes symbiotiques Premièrement, ces deux types de mécanismes sont des symbioses, c'est-à-dire que pour les deux mécanismes, nous observons deux partenaires : la plante hôte et son symbiote (la bactérie ou le champignon). Cela veut donc dire qu’il y a des échanges assez similaires à l’intérieur de ces deux mécanismes. Ensuite nous avons observé auparavant que ces échanges moléculaires (regroupant divers signaux et molécules) étaient à l’origine d’un véritable dialogue moléculaire. La remarque frappante est que les premiers signaux moléculaires sont émis en premier par les racines des plantes vers le symbiote ; et ce pour les deux types de symbioses [15,24]. Par ailleurs, ces signaux moléculaires sont identiques : ce sont des flavonoïdes, des attractants chimiques et des composés volatiles organiques. De plus, certains signaux comme les flavonoïdes induisent l’expression de gènes Myc ou Nod [1] (fig. 1). Ces flavonoïdes déclenchent puis contrôlent la production de signaux fongiques ou bactériens, ce sont les facteurs Myc ou Nod. Par la suite, ils sont reconnus par deux complexes récepteurs provenant de la plante (NFR1 et NFR5) pour les transporter jusqu’à une enzyme SYMRK (une kinase réceptrice) (fig. 1) [8]. Puis ces facteurs seront intégrés par cette enzyme SYMRK déclenchant le mécanisme de transduction des trois gènes DMI [1,8] (fig. 1). Nous observons donc que ces deux symbioses partagent des étapes communes dans la cascade de transduction des signaux de symbiotiques [1]. De plus, en aval, trois gènes DMI contrôlent non seulement la formation de nodosités mais également la formation de Mycorhizes [1]. Maintenant, voyons quelles sont ces autres étapes communes. Une des premières réponses de la plante hôte à l’addition de facteurs Nod est l’induction d’oscillations calciques dans les poils absorbants [1]. Les gènes DMI1,DMI2, et DMI3, communs aux deux types de symbioses, sont nécessaires pour l’induction de cette réponse calcique mais aussi dans la voie de transduction, DMI2 codant pour une enzyme récepteur-kinase qui est impliquée dans la perception des deux types de signaux symbiotiques, bactériens et fongiques, et DMI1 codant pour un canal ionique (fig. 1) [1]. En fin de compte, la formation mais aussi le développement des nodosités bactériens et des bourgeons d’hyphes mycorhiziens sont déclenchés et contrôlée par un ensemble de signaux moléculaires mais aussi un programme génétique de la plante hôte [8]. De plus, celle-ci peut aussi limiter le niveau de colonisation de son symbiote (bactérie ou champignon) [8]. Enfin, une dernière similitude dans le fonctionnement de ces deux types de symbioses est visible lors de la présence naturelle ou d’apports de façon excessive d’éléments nutritifs par la plante hôte, nous observons alors une baisse du niveau de colonisation des symbiotes (bactéries ou champignons) [8,23]. 3.1.2 Les différences entre les deux types de mécanismes symbiotiques Dans l’ensemble, il y en a peu et nous avons observé deux principales différences. Tout d’abord une différence légère entre les signaux émis par les Mycorhizes et ceux émis par les Rhizobium. En effet, même si les types de symbiotes libèrent les mêmes types de signaux, ils ne les utilisent pas de la même façon. En ce qui concerne les facteurs Myc et Nod, ils ont une fonction similaire mais les hormones ont des fonctions différentes selon le type de symbiote qui se présente. Pour les Rhizobium, les hormones agissent dans la formation et la mise en place de la symbiose. 8 Cependant pour les Mycorhizes, celles-ci agissent seulement dans le fonctionnement dans la symbiose [15]. Nous avons vu auparavant qu’il y avait plusieurs étapes communes dans la cascade de transduction des signaux symbiotiques, mais il reste une étape différente des autres qui est à l’origine de l’activation de la nodulation ou de la mycorhization. En effet, la différence se fait au niveau du gène DMI3, commun aux deux types de symbioses, et qui est capable de percevoir les différentes réponses calciques provoquées par les signaux des deux types de symbioses [1]. Par la suite ce gène activera soit le programme de nodulation, soit le programme de mycorhization (fig. 1) [1]. En fin de compte, nous observons qu’il y a un gène commun pour les deux symbiotes mais une réponse différente face aux divers signaux émis par ces deux symbiotes. 3.2 Comment se fait le dialogue moléculaire entre les Mycorhizes et les Rhizobium ? Nous avons vu auparavant que la symbiose Rhizobium-Fabacées avait besoin d’une partie des mécanismes de signalisation fondés sur la synthèse et la perception des composés de type chitinique, et qui sont seulement présent chez les champignons (donc les Mycorhizes), pour la formation de nodosités (Dénarié et al., 2004) [1]. En fait, il y a un vrai dialogue qui s’établit entre les deux types de symbiotes (bactérie et champignon) mais seulement en présence d’une plante hôte [15]. Ce sont, en fait, des signaux moléculaires (composés volatiles ou autres protéines) émis par chacun des deux symbiotes qui sont nécessaires pour déclencher le mécanisme de reconnaissance de compatibilité entre les deux types de partenaires [25], mais aussi la présence des certains composés organiques (présents dans le sol ou apportés par la plante hôte) comme le carbone, le phosphore ou l’azote [25]. Ce mécanisme s’établit d’abord entre les deux types de symbiotes puis avec la plante hôte par la suite [8,25]. D’ailleurs certains chercheurs ont démontré que la croissance et le rendement des plantes hôtes étaient influencés par ce dialogue moléculaire qui existait entre les espèces de Mycorhizes et les Rhizobium (Ames et al., 1991 ; Ruiz-Lozano et Azcon, 1993 ; Ahmed, 1995 ; Redecker et al., 1997 ; Xavier et Germida, 2002) [24,28,29,30,31,32]. 3.3 Quels impacts pour les trois partenaires ? Les impacts sur les trois partenaires sont divers et la plupart d’entre eux sont bénéfiques. Tout d’abord, la présence de chacun des deux symbiotes a un effet bénéfique l’un sur l’autre (bactérie et champignon) facilitant la colonisation de ceux-ci dans la plante hôte [8]. Mais pour qu’il y ait une association véritable et fonctionnelle pour la plante hôte, les deux partenaires doivent être compatibles et former un complexe Mycorhize-Rhizobium en parfaite interaction (Harrison, 2000) [25,33]. En effet, ce complexe d’interaction détermine l’efficacité de la symbiose tripartite [25]. Ensuite la plante hôte, envoyant ses premiers signaux à chacun des ces deux partenaires, permet de faciliter la croissance des hyphes fongiques et des nodules bactériens [8] tout en contrôlant le développement de ces deux types de symbioses [25]. D’ailleurs, la présence de ces deux types de symbiotes permet de faciliter la nutrition azotée et phosphatée des plantes hôtes [25]. De plus, des chercheurs ont observé que plus le complexe d’interaction était bon, plus la croissance et le rendement de la plante hôte étaient meilleurs [25]. Enfin, la plante hôte permet la croissance de ses deux partenaires grâces aux sucres, glucides ou autres acides aminés qu’elle échange avec ses deux types de symbiotes [25]. Cependant, il existe des impacts qui peuvent être rendu négatifs soit par une mauvaise compatibilité entre les deux symbiotes réduisant voire stoppant ainsi leur colonisation et leur développement, soit par l’apport excessif d’éléments nutritifs (comme des glucides) par la plante à l’un des deux partenaires sans qu’il y ait de retour en échange de la part de celui-ci et dans ce cas, il agirait comme un parasite [8,25]. Conclusion Nous venons de voir qu’il peut exister un réel dialogue moléculaire entre les trois types de partenaires ; il s’agit donc d’une association tripartite. Cependant, nous avons observé des similitudes et des différences entre les deux types de mécanismes symbiotiques. Enfin, nous venons de voir qu’il existait différents impacts positifs et négatifs pour les trois partenaires. 9 Conclusion et discussion Pour conclure, ce mémoire nous a permis de mettre en évidence l’importance des signaux moléculaires émis par les symbiotes (champignons de type Mycorhize et bactéries de type Rhizobium) et les plantes hôtes dans la mise en place et le fonctionnement de la symbiose. En effet, nous avons vu que les mécanismes de mise en place et de fonctionnement de ces deux symbioses étaient assez similaires. De plus, celles-ci partagent des étapes communes dans la formation des hyphes Mycorhiziens et des nodosités. Enfin l’ensemble des ces mécanismes de formation et de régulation de la symbiose semble être contrôlé et régulé par les plantes hôtes (grâce aux signaux et exsudats des racines). Par ailleurs, les études menées sur le dialogue moléculaire entre ces trois types de partenaires (bactéries, champignons et plante de type Fabacées) sont récentes et nous ont permis de comprendre qu’il pouvait exister un réel dialogue moléculaire entre ces trois types de partenaires dans le cas où l’ensemble des conditions favorables sont réunies (symbiotes compatibles, pas d’excès en éléments nutritifs présents dans le sol ou apportés par la plante aux symbiotes, complexe Mycorhize-Rhizobium en parfaite interaction…). Pour finir, nous remarquons que ces associations jouent des rôles cruciaux dans l’amélioration de la nutrition azotée et phosphatée des plantes hôtes. En ce moment, des stratégies de co-inoculation vont être utilisées pour l’agriculture, mais elles sont limitées en raison de la nature des Mycorhizes qui sont non cultivables. Cependant, d’autres applications sont possibles dans diverses situations : par exemple pour les légumes, les forêts ou dans les zones de hauts altitudes avec l’utilisation de la technique de phytoremédiation ou encore la revégétation du territoire abîmé avec l’aide des ces deux types de symbioses. Pourtant certains points restent encore à approfondir comme la question de savoir s’il existe une véritable symbiose entre les deux symbiotes (bactéries et champignon) ou s’il est réellement possible d’étendre ces deux types de mécanismes de symbioses pour l’ensemble de l’agriculture pour la rendre plus durable. 10 Sommaire Introduction........................................................................................................................................................... 1 1 Le dialogue moléculaire entre les Rhizobium et les Fabacées : .................................................................... 2 1.1 2 1.1.1 Les signaux émis par les racines des Fabacées ................................................................................ 3 1.1.2 Les signaux émis par les Rhizobium ................................................................................................. 3 1.2 La mise en place de la symbiose .......................................................................................................... 3 1.3 Le fonctionnement de cette symbiose ................................................................................................ 4 Le dialogue moléculaire entre les Mycorhizes et les Fabacées : ................................................................... 4 2.1 3 Les premiers signaux d’appel pour la reconnaissance des futurs partenaires .................................... 2 Les premiers signaux d’appel pour la reconnaissance des futurs partenaires .................................... 5 2.1.1 Les signaux émis par les racines des Fabacées ................................................................................ 5 2.1.2 Les signaux émis par les Mycorhizes ............................................................................................... 5 2.2 La mise en place de la symbiose .......................................................................................................... 6 2.3 Le fonctionnement de cette symbiose ................................................................................................ 7 Le dialogue moléculaire tripartite (plante, bactérie et champignon) : ......................................................... 7 3.1 Présentation des similitudes et des différences pour les deux types de symbioses ........................... 8 3.1.1 Les similitudes entre les deux types de mécanismes symbiotiques ................................................. 8 3.1.2 Les différences entre les deux types de mécanismes symbiotiques................................................. 8 3.2 Comment se fait le dialogue moléculaire entre les Mycorhizes et les Rhizobium ? ........................... 9 3.3 Quels impacts pour les trois partenaires ? .......................................................................................... 9 Conclusion et discussion ..................................................................................................................................... 10
