De nouvelles conduites de culture, des inoculations et
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Efficience des symbioses dans les systèmes de production Yves PRIN CIRAD / UMR LSTM, Montpellier Les légumineuses : 18 000 espèces, 650 genres – Répartition sur tout le globe – Toutes les formes, toutes les tailles, tous les cycles de vie Intérêts agronomique, forestier, fourrager, alimentaire, cosmétique, pharmaceutique, environnemental 2 IRLC Robinioids Millettioids « Inverted repeat lacking clade » : vesce, fève, lentille, trèfle, luzerne, pois, glycine, pois chiche, réglisse … Lotier, robinier, … Haricot, niébé, soja, … Mirbelioids Dalbergioids Arachide, palissandres … Lupins … Genistoids Papilionoids Cladrastris Mimosoids Caesalpinioids Mimosoids Acacias australiens, africains … Caesalpinioids Caroubier … Phylogénie (235 genres) des Leguminosae (matK), adapted from Wojciechowski et al. (2004). 3 Mirbelioids Dalbergioids Genistoids Papilionoids Cladrastris Mimosoids Mimosoids Symbioses ectomycorhiziennes Millettioids Symbioses fixatrices d’azote (nodule) Robinioids Symbioses mycorhiziennes arbusculaires IRLC Caesalpinioids Caesalpinioids 4 Symbioses mycorhiziennes arbusculaires - Les plus anciennes (400 My) 70% des plantes supérieures Glomeromycètes Exploration du sol, nutrition P, eau Symbiose intraracinaire et intracellulaire Non cultivables Dans le sol Dans la plante 5 Symbioses ectomycorhiziennes - Environ 130 My Principalement des ligneux tempérés et tropicaux Ascomycètes et Basidiomycètes Exploration du sol, nutrition P, eau Symbiose intraracinaire et intercellulaire Parfois cultivables 6 Symbioses fixatrices d’azote (nodule) Partenaires bactériens - Rhizobium (alpha) Mesorhizobium (alpha) Ensifer (alpha) Bradyrhizobium (alpha) Methylobacterium (alpha) Azorhizobium (alpha) Neorhizobium (alpha) Phyllobacterium (alpha) Aminobacter (alpha) Ochrobactrum (alpha) Devosia (alpha) Shinella (alpha) Burkholderia (beta) Cupriavidus (beta) … 7 La fixation d’azote chez les légumineuses : Infectivité : signalisation et reconnaissance moléculaire 8 La fixation d’azote chez les légumineuses : Infectivité : processus de nodulation 9 La fixation d’azote chez les légumineuses : Efficacité : activité nitrogénasique Nitrogénase N2 + 8H+ + 8 e- 2 NH3 + H2 16 ATP 16 ADP + Pi 10 Aires d’origine et âges de la domestication des plantes cultivées : Blé : 10 000 ans Orge : 10 000 ans Vigne : 7000 ans Tournesol : 4800 ans Maïs : 9000-7000 ans Haricots : 8000 ans Tomate : ? ans Coton: 9000-7000 ans Patate douce : 4500 ans Pomme de terre : 7000 ans Quinoa : 5000 ans Riz : 8000 ans Soja : 9000 ans Riz africain: 2000 ans Sorgho : 4000 ans Mil : 3000 ans Banane : 7000 ans Canne à sucre : 8000 ans Arachide : ? ans Manioc : 8000 ans 11 Légumineuses cultivées : Lentille : 11000 ans Robinier : 400 ? ans Luzerne : 7000 ans Fève : 7000 ans Haricots : 8000 ans Caroubier : 2000 ans Soja : 9000 ans Arachide : ? ans Acacia : 150-40 ans 12 Génétique Phaseolus vulgaris : la légumineuse la plus consommée dans le monde Géographie Temps Adapté de : Schmutz J et al. (2014) Nature Genetics 46: 707-713 - 8000 ans Aire d’origine Partenaires symbiotiques : - Mycorhizes arbusculaires - Bactéries fixatrices d’azote Zones d’introduction Potentiel microbiologique des sols, infectivités et efficacités symbiotiques 13 Aire d’origine Zones d’introduction Potentiel microbiologique des sols, infectivités et efficacités symbiotiques Déficit symbiotique Compenser Chimie Mixte Microbio 14 Zones d’introduction Déficit symbiotique Evaluer le potentiel symbiotique Choix de l’écosystème « référent » Acquérir les souches Législation RG, éthique, … Piéger, isoler, cultiver, caractériser Compenser Sélectionner Chimie Microbiologie Passer les filtres plante : filtre infectivité filtre efficacité filtre compétitivité Produire / Conditionner/Conserver Tester / Valider (suivi) au champ Mettre sur le marché Passer les filtres AMM Ethique, propriété, législations locales 15 Nombre de publications avec inoc* et agro* dans le titre, par périodes de 3 années, entre1970 et 2015 Source : Web of Science 600 500 400 300 200 100 0 16 Un modèle d’étude du LSTM : Acacia mangium 1980 En 2006, plus de 1,5 M ha, en Asie 2016 En 36 ans : - Dispersion géographique dans toute la zone intertropicale : Asie, Afrique, Amérique du Sud - Pas ou peu de sélection génétique - Pas ou peu d’extension climatique - Semenciers toujours en place dans leur écosystème d’origine - Espèce tri-symbiotique, ubiquiste pour la nodulation - Collection de souches de rhizobium de l’aire d’origine (Queensland, Aus) constituée dès les années 1980 - Essais d’inoculation terrains mis en place à partir de 1987 dans de nombreux pays : Côte d’Ivoire, Sénégal, Madagascar, Bénin, Guinée, Singapour, Malaisie, Iles Cook, Congo, Brésil, … 17 Un modèle d’étude du LSTM : Acacia mangium 18 Pourquoi inoculer ? Pays Age (mois) Gain de productivité (% témoin) Bénin 3 41 % Côte d’Ivoire 4 54 % 3,6 24% 4 23 % 3,5 42% Guinée Conakry Malaisie Madagascar Nb : les témoins sont spontanément nodulés Réponse d’Acacia mangium à l’inoculation avec la souche de Bradyrhizobium Aust13c Martin-Laurent et al. (1999) J. Trop For. Res.11: 470-483 Galiana A. et al. (1998) Agroforestry Systems 40: 297-307 Prin et al. (2003) Biol. Fertil. Soils 37: 64-69 19 Madagascar 3,5mois Côte d’Ivoire 6 mois Pourquoi inoculer avec une souche homologue? Souche Pays/arbre d’origine Gain de productivité (% témoin) Aust 13c Australie / A. mangium 26 % (a) AG3 C. d’Ivoire / A. mangium 16 % (b) RMBY Sénégal / A. mangium 18 % (b) Aust 13c Australie / A. mangium 42 % (a) Tel8 Malaisie / A. mangium 2 % (b) Prin et al. (2003) Biol Fertil Soils 37: 64-69 Galiana A. et al. (1998) Agroforestry Systems 40: 297-307 20 Pourquoi assurer un suivi des inoculums ? Gain de productivité (% témoin) Identité souche nodulante Australie / A. mangium 3,7 % (a) Aust 13c AG3 C. d’Ivoire / A. mangium 2,7 % (a) Aust 13c Sénégal / A. mangium - 4,6 % (a) Aust13c/RMBY Côte d’Ivoire 23 mois Pays/arbre d’origine Aust 13c Madagascar 6mois Souche Aust 13c Australie / A. mangium 0,5 % (a) Aust 13c Tel8 Malaisie / A. mangium 8 % (a) Aust 13c RMBY Témoin Aust 13c Témoin Aust 13c Galiana et al. (1994) Appl Environ Microbiol 60: 3974-3980 Galiana et al. (1998) Agroforestry Systems 40: 297-307 Prin et al. (2003) Biol Fertil Soils 37: 64-69 21 Acacia mangium au Brésil Le Brésil importe des plantes exotiques sur son territoire depuis très longtemps, mais n’autorise pas l’importation de souches microbiennes. Depuis une vingtaine d’années, Acacia mangium y est très apprécié, au même titre que les eucalyptus. Essais d’inoculation : Porto Trombetas et Itatinga Souches de Bradyrhizobium (brésilienne) : BR3609 et BR6009 Suivi moléculaire des inoculums, après 2 et 6 ans : disparition de BR 3609 sur les 2 sites, présence de BR6009 sur un des sites (Itatinga) Importance : - du suivi des inoculums - du choix des souches - des contraintes légales Perrineau et al. (2011) Syst. Appl. Microbiol. 34: 376-384 22 Devenir des inoculums sur le long terme ? Acacia mangium inoculé avec des souches australiennes homologues de Bradyrhizobium en Malaisie (Aust 11c et Aust 13c) et au Sénégal (Aust13c) Analyse moléculaire sur 5 loci : recA, dnaK, glnII, nodA et nifH En Malaisie, 15 ans après inoculation, la souche Aust 11c est toujours présente mais par contre Aust 13c a disparu à l’exception des deux loci symbiotiques étudiés (nodA, nifH) retrouvés chez des souches locales. Au Sénégal, 5 ans après inoculation avec Aust 13c, seuls ses 2 locis symbiotiques (nodA, nifH) sont retrouvés chez des souches locales. en fonction de la souche, même homologue, et même chez une plante pérenne, l’évolution d’un inoculum bactérien sur le long terme n’est pas prévisible. Perrineau et al. (2014) Appl. Environ. Microbiol. 80: 5709-5716 23 Acacia mangium : critères de sélection des souches microbiennes Quelle stratégie adopter pour sélectionner les meilleurs partenaires microbiens ? - Retourner dans l’écosystème originel pour y échantillonner les partenaires microbiens homologues? - Dans les zones d’introduction, sélectionner parmi les communautés microbiennes du sol les souches compatibles les mieux adaptées au conditions locales? 24 Légumineuses : critères de sélection des souches microbiennes Quelle stratégie adopter pour sélectionner les meilleurs partenaires microbiens ? - Retourner dans l’écosystème originel pour y échantillonner les partenaires microbiens homologues? - La généalogie de la légumineuse considérée est-elle connue ? - Écosystème originel : - est-il connu ? - existe-t-il encore ? - est-il accessible ? - Dans les zones d’introduction, sélectionner parmi les communautés microbiennes du sol les souches compatibles les mieux adaptées au conditions locales ? - Niveau d’efficacité ? - Durabilité/stabilité ? 25 Merci de votre attention Yves Prin1 , Christine Le Roux 1, Antoine Galiana 1, Robin Duponnois 2 Laboratoire des Symbioses Tropicales et Méditerranéennes (LSTM) UMR CIRAD1/ IRD2/ INRA / SupAgro / UM Campus de Baillarguet, TAA82/J 34398 Montpellier Cedex 5 Email : [email protected] 26 27
