La génétique des plantes hôtes détermine les microorganismes qu'elles attirent, révèle une étude.

19 décembre 2023

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par Ananya Sen, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Les plantes développent souvent des communautés avec des microorganismes dans leurs racines, ce qui influence la santé et le développement des plantes. Bien que le recrutement de ces microbes soit dicté par plusieurs facteurs, il n'est pas clair si la variation génétique des plantes hôtes joue un rôle. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont exploré cette question et leur travail peut contribuer à améliorer la productivité agricole.

"Auparavant, les chercheurs se sont uniquement intéressés aux types de microbes présents en association avec les plantes, mais pas à ce qui pourrait influencer la formation de ces communautés et à la façon dont nous pourrions contrôler ces facteurs grâce à l'amélioration des plantes", a déclaré Angela Kent (CABBI), professeur de ressources naturelles et de sciences de l'environnement.

Les microbes forment des communautés complexes appelées microbiomes dans et autour des racines des plantes. Les plantes hôtes peuvent dicter quels microbes sont invités dans leurs racines - appelés endophytes - en utilisant des signaux chimiques. Elles peuvent également modifier les propriétés du sol autour des racines pour influencer les microbes qui peuvent pousser autour de la surface des racines ou de la rhizosphère.

Cependant, afin de sélectionner des plantes en fonction des microbes avec lesquels elles s'associent, les chercheurs doivent d'abord comprendre dans quelle mesure les génomes des plantes peuvent influencer le microbiome de la rhizosphère.

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont étudié deux espèces d'herbes : Miscanthus sinensis et Miscanthus floridulus. Ces plantes sont considérées comme des cultures potentielles pour la bioénergie car elles nécessitent des concentrations de nutriments plus faibles pour obtenir une croissance supérieure par rapport aux cultures traditionnelles.

L'étude a été menée dans 16 sites à travers Taïwan et incluait un éventail de conditions environnementales, telles que des sources chaudes, des sommets montagneux et des vallées, pour représenter tous les extrêmes environnementaux possibles. Les chercheurs ont prélevé 236 échantillons de sol de la rhizosphère à partir de plantes de Miscanthus sélectionnées au hasard et ont également isolé le microbiome à l'intérieur des racines.

"Bien que l'ampleur de cette étude soit sans précédent, nous avons tenu compte des réglementations en matière de protection des plantes et de quarantaine. Nous avons traité les échantillons à Taïwan pour extraire la communauté microbienne endophytique et collecter le microbiome de la rhizosphère", a déclaré Kent.

Les chercheurs ont utilisé deux types de techniques de séquençage d'ADN dans leur étude. Les microbiomes dans et autour des racines ont été identifiés en utilisant la séquence ADN des gènes de l'ARN ribosomal bactérien et fongique, en se concentrant sur la partie du génome qui est unique à chaque espèce. La variation dans le génome des plantes a été mesurée à l'aide de microsatellites, qui sont de petits morceaux d'ADN répétitif pouvant distinguer même les populations de plantes étroitement apparentées.

"Les échantillons ont été collectés il y a 15 ans, lorsque le projet était trop vaste pour les capacités de séquençage de l'époque. À mesure que le coût du séquençage a diminué, nous avons pu réexaminer les données et les examiner de plus près. Lors du traitement des échantillons, nous avons également extrait accidentellement de l'ADN de plantes, que nous avons pu utiliser comme ressource pour le génotypage de nos populations de Miscanthus", a déclaré Kent.

"Nous avons examiné les séquences du génome de l'hôte pour comprendre comment elles peuvent affecter le microbiome", a déclaré Niuniu Ji, chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Kent. "J'ai découvert que les plantes affectent le microbiome central, ce qui était excitant."

Bien que les microbiomes des plantes soient très diversifiés, le microbiome central est un ensemble de microbes que l'on retrouve dans la plupart des échantillons d'un ensemble particulier de plantes. Ces microbes sont considérés comme jouant un rôle important dans l'organisation des autres microbes associés à la plante et contribuent à sa croissance.

Le microbiome central que les chercheurs ont trouvé dans le Miscanthus comprenait des bactéries fixatrices d'azote qui ont été trouvées dans d'autres études sur le riz et l'orge. Tous ces microbes jouent un rôle dans l'aide aux plantes pour acquérir de l'azote, qui est un nutriment vital pour leur croissance. Le recrutement de microbes fixateurs d'azote peut aider les plantes à s'adapter à différents environnements, mais surtout, cette capacité contribue à la durabilité de cette herbe en tant que culture potentielle pour la bioénergie.

En revanche, l'influence de la variation génétique entre les plantes avait un effet moindre sur le microbiome de la rhizosphère, qui était davantage affecté par l'environnement du sol. Même ainsi, les plantes accordaient une plus grande importance au recrutement de champignons par rapport à d'autres microbes.

The researchers are interested in parsing out which genes play a role in influencing the microbiome. 'The microsatellites do not have a biological function and are not representative of the whole genome. It would be nice if we could sequence the whole Miscanthus genome and figure out how the genes affect nitrogen fixation,' Ji said.

'Crop breeding is based on yield. However, we need to take a wider look and consider how microbes can contribute to crop sustainability,' Kent said. 'The appeal of working with wild plants is that there is vast genetic variation to look at. We can identify which variants are good at recruiting nitrogen-fixing microbes because we can use fewer fertilizers on these crops. It's an exciting possibility as we embark on adapting these plants for bioenergy purposes.'

The study 'Host genetic variation drives the differentiation in the ecological role of the native Miscanthus root-associated microbiome' was published in Microbiome.

Journal information: Microbiome

Provided by University of Illinois at Urbana-Champaign