Compréhension et valorisation des interactions entre plantes et microorganismes telluriques : Un enjeu majeur en agroécologie Philippe Lemanceau UMR Agroécologie, Dijon 4ème Colloque des biotechnologies végétales AFBV/SAF 2 Octobre 2014 Les plantes libèrent ∼ 20% de leurs photosynthétats au niveau des racines Philippot et al. 2013. Nat. Rev. Microbiol. 11:789-799. Ces rhizodépôts constituent une source majeure de composés organiques pour les microorganismes telluriques qui sont essentiellement hétérotrophes voire biotrophes Cette libération représente un coût important pour la plante Longue co-évolution plantes-microorganismes telluriques Dirk Redecker Le maintien de la libération de rhizodépôts au cours de l’évolution végétale et sa généralité au sein du règne végétal suggèrent que ce coût est compensé par des bénéfices pour la plante La plante favorise des populations particulières García-Salamanca et al. 2012. Microbiol. Biotechnol. - Via des relations trophiques Composés Sol nu Lin Tomate Trigonelline 0% 100% 69% Saccharose 0% 0% 78% Tréhalose 0% 0% 64% Latour et al. 1996. Appl. Environ. Microbiol. 62:2449-2456; Lemanceau et al. 1995. Appl. E,viron. Microbiol. 61:1004-1012 - Via des signalisations moléculaires . Schultze & Kondorosi 0.10 Cette sélection est spécifique du génotype végétal y compris au sein d’une même espèce 0.05 SA_028064 0.00 DZA_315_26 F_83005_5 -0.05 Jemalong_A17 Jemalong_J6 -0.10 DZA_315_16 Photo: Christophe Mougel Principal Component 2 (27%) DZA_045_6 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 Principal Component 1 (43%) Zancarini et al. 2013. Plant and Soil 365:183–199. Medicago truncatula Christophe Mougel La plante sélectionne au sein de la biodiversité tellurique des populations favorables à sa croissance et sa santé Exemple de la résistance au piétin échaudage Mendes et al. 2011. Science 332: 1097-1100. Jos Raaijmakers NIOO, Wageningen Application Mazzola et al. 2004. Microbiol. Ecol. 48:338-348, Cependant l’évolution des systèmes agricoles et la gestion des cultivars en conditions fertiles a pu contribuer à minimiser ces interactions Philippot et al. 2013. Nat. Rev. Microbiol. 11:789-799. Evaluation of the mycorrhizal effect on wheat varieties put on the market before and after 1975 (Hetrick et al. 1995) 8/11 of the oldest varieties respond positively to AM fungi in term of growth rpomotion, but only 1/11 of the recent ones ! Daniel Wipf L’agroécologie vise optimiser les compromis entre services environnementaux en valorisant la biodiversité et les interactions biotiques, en particulier les interactions plantesmicroorganismes. Les sols et leur biodiversité délivrent de nombreux services environnementaux. Antonio Bispo, ADEME Les plantes sont un des principaux ‘drivers' de l’abondance, de la diversité et de l’activité des communautés microbiennes des sols. Enjeu : valoriser les photosynthétats de la plante investis dans les interactions avec les microorganismes du sol pour la fourniture de fonctions et services environnementaux. Nécessité d’identifier les traits végétaux impliqués dans ces interactions. Fertilité des sols et qualité de l’environnement en relation avec le cycle de l’azote N2 N2O Nitrogen fixation NO2NH4+ Laurent Philippot NO2Nitrification Denitrification NO NO3 - Leaching - Améliorer l’efficience de l’entrée d’azote dans les sols: accroitre la performance de la symbiose bactérienne fixatrice d’azote 100 80 60 R² = 0.76 40 20 0 0 50 100 150 Biomasse de nodosités (mg/plante) Virginie Bourion Nombre de nodosités par plante Quantité d'N accumulée (mg/plante) Combinaisons génotypes pois x Rhizobium 400 350 104 génotypes de pois inoculés avec mélange de 5 souches de Rhizobium souche F 300 souche K 250 souche E 200 souche D 150 souche A 100 50 0 Projet SYMBIOPEA Collaborations UMR Agroécologie Dijon UMR LSTM Montpellier Gestion de la biodiversité - Réduire les fuites d’azote : inhibition de la nitrification via la plante Sélection de génotypes végétaux inhibant la nitrification N2O N2O BNI AMO HAO NH2OH NO2Nitrification AMO: ammonia monooxygenase HAO: hydroxylamino oxidoreductase NH4+ Philippot & Hallin. Trends Plant Science. 16:476-480 NO3- NO2- NO N2 O Denitrification Leaching N2 Productivité (nutrition et santé) des plantes et qualité des produits en relation avec le cycle du fer Productivité Qualité des produits La majorité des êtres humains (60-80%) souffrent de carence en fer et 30% sont anémiques. La carence en fer est un trouble nutritionnel majeur (OMS). Courtesy of J.-F. Briat La carence en fer détermine des symptômes de chlorose Leur régime alimentaire comporte uniquement des produits végétaux pauvres en fer (100 g farine = < 10% besoins journaliers en fer). Augmentation de la teneur en fer des produits agricoles représente un enjeu majeur pour la nutrition humaine. Briat & Gaymard, 2007. PPB 45:259 Le fer est essentiel pour les plantes et les microorganismes mais sa biodisponibilité est très faible dans les sols les plantes et les microorganismes ont développées des stratégies actives d’acquisition Plantes : Non-graminées H+ Strategy I ATPase H+ Fe3+ Microorganismes : FRO Fe2+ IRT1 Fe2+ IRT2 NRAMP Courtesy of V. Römheld Strategy II PS PS Fe3+ Graminées Fe3+-PS YS1 Fe3+-PS PS = Phytosiderophore Marschner & Römheld. 1994. Plant Soil 165:261-274 Curie & Briat. 2003. Ann. Rev. Plant Biol. 54:183-206 Bénéfices réciproques de interactions plantes-microorganismes : exemple de la dynamique du fer Influence du type sol 2 Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe 3 Amélioration de la croissance et de la santé de la plante Nutrition en fer croissance Sélection de populations microbiennes adaptées au stress en fer Exsudats racinaires 1 Nutrition de la plante [Fe] Production de sidérophores à forte affinité pour le fer 200 Antagonisme microbien 100 0 santé de la plante FeEDTA FeSid Lemanceau et al. 2009. Adv. Bot. Res. 51:491-549. Sylvie Mazurier Laure Avoscan Interférence de la plante dans la communication moléculaire entre bactéries : Quenching du Quorum Sensing Sensor of bacterial density and containment Multiplication Quorum Sensing Production of lytic enzymes and effectors host primary invasion host primary invasion Legend: pathogen signaling molecule biocontrol agent with catabolic enzyme host Soft-rot No symptom Crépin et al. 2012, Plant & Soil Xavier Latour Univ. Rouen Interférence de la plante dans la communication moléculaire entre bactéries : Quenching du Quorum Sensing Microbial biostimulating strategy Legend: Cheap structural analogs of signaling molecules Plant catabolic enzymes or quorum sensing inhibitors Varietal selection strategy Xavier Latour Univ. Rouen Influence des microorganismes rhizosphériques sur les associations végétales Compétition C Facilitation C Optimisation de l’utilisation des ressources ⇒Compétitivité/adventices ⇒ Moins de pertes de N N2 N C C N N Minéraux (N) et eau H + P solubilisé N minéral Quel impact des microorganismes sur les interactions plante-plante? Traits fonctionnels des plantes: sélection de microorganismes optimisant leur impact sur l’interaction végétale Delphine Moreau Barbara Pivato - À différentes échelles temporelles GEAPSI,: Agroécologie, Dijon Traduction en systèmes de culture • À différentes échelles spatiales: - Parcelle - Paysage Stratégie pour identifier les trauts végétaux Stratégie basée sur l’utilisation de lignées recombinante pour la recherché de traits génétiques végétaux favorisant l’activité bénéfique d’une souche. Stratégie analogue pour la recherche de traits génétiques végétaux sélectionnant des populations bénéfiques. Mendes et al., 2013. FEMS Microbiol Rev 37:634–663 ‘Core Microbiome’ Hypothèse: un génotype de plante aurait un ‘core microbiome’ invariant. Bulgarelli et al., 2012. Nature 488:91-95, Lundberg et al. 2012. Nature 488:86-+ 1srt Intern. Symposium First scientific international journals ‘omic era’ First handbook Brock time 1957 1966 1970 1974-76 1980 1990 2010 2000 Étude des individus Etude des populations Etude des communautés Etude des métacommunuatés Développement de milieu de culture Mass Bio PCR Spectrometry informatic Genomic 2-D gel electrophoresis Developpement de la biochimie et biologie moléculaire DNA-SIP Metagenomic Extraction d’acides nucléiques de l’environnement 10 K 1K Cost per Raw Megabase of DNA Sequence Séquençage haut débit Human gut metagenome Métaprogramme MEM 5292.39$ Dollars 100 Progrès majeurs dans les stratégies et méthodes de caractérisation de la diversité in situ et de l’activité microbienne 10 1 0.1 0.09$ 2001 02 03 04 05 06 07 Années 08 09 10 11 12 Adapté de Maron et al. 2007. Microbiol. Ecol. 53:486-493. Conception de systèmes agricoles auxiliaires, parasites & ravageurs végétaux Systèmes agricoles Fonctionnement de l’agroécosystème microbes Evolution des systèmes de culture
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