Un mécanisme génétique universel découvert chez les plantes

Un mécanisme génétique universel
découvert chez les plantes fi xatrices
d’azote
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Fiche n°288 - Février 2008
Certains végétaux ont
la capacité de se dé-
velopper sur des sols
très pauvres en éléments
minéraux. Cette faculté,
résultant d’une sym-
biose au niveau de leurs
racines avec des bac-
téries fi xatrices d’azote
(Rhizobium ou Frankia)
et des champignons
mycorhiziens, améliore
fortement leur nutrition
azotée et phosphatée.
Une équipe de l’IRD, en
collaboration avec un la-
boratoire de l’Université
de Munich, s’attache de-
puis plusieurs années à
décrypter les mécanis-
mes de reconnaissance à
l’origine des associations
entre végétaux, bactéries
et champignons. Ils ont
ainsi découvert qu’un des
éléments génétiques des
plantes appelé SymRK
(pour Symbiosis Recep-
tor Kinase), nécessaire
aux légumineuses (pois,
trèfl es luzerne…) s’as-
sociant avec la bactérie
Rhizobium et les champi-
gnons mycorhiziens, est
également indispensable
à l’établissement de la
symbiose entre l’arbre
tropical Casuarina, plus
connu sous le nom de fi -
lao, et la bactérie fi xatrice
d’azote Frankia. La com-
préhension de ces mé-
canismes est essentielle
pour la mise au point de
stratégies qui permet-
tront un jour de transférer
ces capacités symbioti-
ques à des plantes qui
en sont dépourvues (blé,
maïs, riz, etc.) et de four-
nir ainsi une alternative à
l’apport massif d’engrais
chimiques aux cultures.
Certains microorganismes du sol
sont capables de s’associer aux raci-
nes des végétaux sous forme de
symbioses dont certaines jouent un
rôle écologique et agronomique très
important.
Ainsi la symbiose mycorhizienne arbus-
culaire (qui lie une plante à un champi-
gnon) permet aux premières d’amélio-
rer leur nutrition hydrique et minérale.
Cette association, vieille de 400 millions
d’années, semble avoir accompagné
la colonisation du milieu terrestre par
les végétaux et concerne aujourd’hui
plus de 80% des espèces de plantes.
Plus récemment, il y a environ 60 mil-
lions d’années, la symbiose qui s’est
établie entre des bactéries du sol, les
rhizobiums, et des plantes de la famille
des légumineuses, leur a accordé la
capacité unique, parmi les végétaux
de grande culture, de se nourrir à partir
de l’azote contenu dans l’air. Les rhizo-
biums forment en effet sur les racines
des légumineuses avec lesquelles ils
s’associent, des organes spécialisés,
les nodules, capables de transformer
l’azote atmosphérique en ammonium
directement assimilable par la plante.
En retour, la plante fournit aux microor-
ganismes des nutriments sous forme de
glucides complexes.
Depuis plusieurs années, les scienti-
fi ques tentent de percer les mécanis-
mes génétiques qui sont à l’origine de
ces relations de bénéfi ces réciproques
entre végétaux et bactéries d’une part
et végétaux et champignons d’autre
part. En 2000, une étude menée par
une équipe française avait déjà permis
de montrer que certains mécanismes
de signalisation génétique intervenant
dans la symbiose entre les légumineu-
ses et les bactéries du type Rhizobium
et les légumineuses et les champignons
mycorhiziens, faisaient intervenir un élé-
ment génétique commun ultérieurement
baptisé SymRK. On sait par ailleurs
que ce type de gène intervient dans
la reconnaissance des facteurs Nod,
Plantés sur les plages des tropiques, les fi laos constituent un brise-vents effi cace.
© IRD / Bonvallot Jacques
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Grégory Fléchet, coordinateur
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Fiche n°288 - Février 2008
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des molécules signales émises par les
bactéries de type Rhizobium qui sont
essentielles à la formation des nodules
racinaires.
Les plantes actinorhiziennes constituent
un autre groupe de végétaux ayant
acquis la capacité de vivre en symbiose
avec une autre bactérie fi xatrice d’azote
dénommée Frankia. Ces espèces végé-
tales pionnières, dont les mécanismes
génétiques impliqués dans la relation
hôte symbionte sont encore peu étudiés,
sont présentes généralement dans des
environnements perturbés tels que les
sols volcaniques ou les sols miniers, et
sur les terrains pauvres en azote comme
les moraines ou les sols sableux. Il
existe environ 260 espèces de plantes
actinorhiziennes réparties en 24 genres
et huit familles d’angiospermes, les plan-
tes à fl eurs.
Une équipe de l’IRD, en collaboration
avec un laboratoire de l’Université de
Munich, s’est plus particulièrement inté-
ressée à l’arbre tropical Casuarina, plus
connu sous le nom de fi lao. A l’aide
de méthodes de biologie moléculaire,
les scientifi ques ont, dans un premier
temps, recherché la séquence codant
le gène SymRK, au sein du génome de
Casuarina. Une fois le gène isolé, l’équi-
pe a voulu savoir si celui-ci était indis-
pensable au fi lao dans l’établissement
de sa symbiose avec la bactérie Frankia.
Pour cela, ils ont mis au point des plantes
transgéniques chez lesquelles l’expres-
sion du gène SymRK a été fortement
diminuée. Ils ont ensuite comparé leur
capacité à former des nodules symbio-
tiques sur leurs racines avec celle des
plantes témoins. D’après ces analyses,
les plantes dont l’expression du gène
SymRK est altérée, produisent deux
fois moins de nodules racinaires que les
plantes témoins. Chez ces mêmes indi-
vidus, le phénomène de mycorhization
est lui aussi fortement diminué par rap-
port aux fi laos sauvages. Ces résultats
indiquent que la réduction de l’expres-
sion du gène SymRK provoque, chez
Casuarina, une diminution importante
de sa capacité à fi xer l’azote atmos-
phérique ainsi qu’une réduction de son
aptitude à former des mycorhizes. Plus
généralement, ces conclusions mettent
en évidence le fait que, chez les plantes
fi xatrices d’azote, un élément génétique
commun semble indispensable à la mise
en place des trois types d’associations
symbiotiques faisant intervenir des bac-
téries (Rhizobium et Frankia) ou un
champignon mycorhizien.
Une meilleure compréhension de ces
mécanismes génétiques pourrait contri-
buer, dans les années à venir, à mettre
au point des processus permettant
de transférer le matériel génétique
nécessaire à la fi xation de l’azote de
l’air à des plantes qui, comme les
céréales, en sont incapables. Alors
que le riz établit une relation symbiotique
avec un champignon mycorhizien, il est
en effet inapte à développer des nodules
fi xateurs d’azote. Or, en modifi ant son
génome de manière à lui conférer cette
aptitude, il serait alors possible de limiter
signifi cativement l’apport d’engrais azo-
tés sur cette culture agricole et diminuer
ainsi d’autant la pollution des sols qui en
découle.
Rédaction DIC - Grégory Fléchet
Nodules racinaires de Casuarina (Filao)
CONTACTS :
DIDIER BOGUSZ
Unité Mixte de
recherche « Diversité et
adaptation des plantes
cultivées »
IRD
BP 64501
34394 Montpellier
cedex 5
Tel : + 33 (0)4 67 41 62 81
didier[email protected]
RÉFÉRENCE :
GHERBI H., MARKMANN
K., SVISTOONOFF S.,
ESTEVAN J., AUTRAN D.,
GICZEY G., AUGUY F.,
PÉRET B., LAPLAZE L.,
FRANCHE C., PARNISKE
M., BOGUSZ D.,
SymRK defi nes a
common genetic
basis for plant root
endosymbioses with
AM fungi rhizobia
and Frankia bacteria,
PNAS published 2008
doi : 10.1073/
pnas.0710618105
MOTS CLÉS :
Symbiose, plante,
bactérie, fi lao
©IRD / Franche Bogusz Claudine