La génétique des plantes hôtes détermine quels micro-organismes elles attirent, selon une étude

Les plantes développent souvent des communautés avec des micro-organismes dans leurs racines, ce qui influence leur santé et leur développement. 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 leurs travaux peuvent contribuer à améliorer la productivité agricole.

“Auparavant, les chercheurs ont uniquement examiné quels types de microbes sont présents en association avec les plantes, mais pas ce qui pourrait être à l'origine de la formation de ces communautés et comment nous pourrions contrôler ces facteurs grâce à la sélection végétale”, 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, à l'aide de signaux chimiques. Ils peuvent également modifier les propriétés du sol autour des racines pour influencer les microbes qui peuvent se développer autour de la surface des racines ou de la rhizosphère.

Cependant, afin de produire des plantes en fonction des microbes auxquels elles s’associent, les chercheurs doivent d’abord comprendre dans quelle mesure les génomes végétaux peuvent influencer le microbiome de la rhizosphère.

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont étudié deux espèces indigènes d'herbe argentée : le Miscanthus sinensis et le Miscanthus floridulus. Ces plantes sont considérées comme des cultures bioénergétiques potentielles car elles nécessitent des concentrations de nutriments plus faibles pour atteindre une croissance plus importante que les cultures traditionnelles.

L'étude a été menée sur 16 sites à travers Taiwan et a inclus une gamme de conditions environnementales, telles que des sources chaudes, des sommets de montagnes et des vallées, pour représenter tous les extrêmes environnementaux possibles. Les chercheurs ont collecté 236 échantillons de sol de rhizosphère provenant de plantes 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 étions attentifs aux réglementations en matière de protection des plantes et de quarantaine. Nous avons traité les échantillons à Taiwan pour extraire la communauté microbienne endophyte et collecter le microbiome de la rhizosphère”, a déclaré Kent.

Les chercheurs ont utilisé deux types de techniques de séquençage de l’ADN dans leur étude. Les microbiomes dans et autour des racines ont été identifiés à l’aide de la séquence d’ADN des gènes d’ARNr bactériens et fongiques, en se concentrant sur la partie du génome unique à chaque espèce. La variation du génome végétal a été mesurée à l’aide de microsatellites, qui sont de petits morceaux d’ADN répétitif capables de distinguer même des populations végétales étroitement apparentées.

“Les échantillons ont été collectés il y a 15 ans, alors que le projet était trop vaste pour les capacités de séquençage de l'époque. À mesure que le coût du séquençage diminuait, cela nous a permis de revoir les données et d'examiner de plus près le microbiome. Pendant le traitement des échantillons, Nous avons également extrait par inadvertance de l'ADN végétal et nous avons pu l'utiliser comme ressource pour génotyper nos populations de Miscanthus”, a déclaré Kent.

“Nous avons examiné les séquences du génome de l'hôte pour mieux comprendre comment elles peuvent affecter le microbiome”, a déclaré Niuniu Ji, chercheur postdoctoral au laboratoire de Kent. “J'ai découvert que les plantes affectent le microbiome central, ce qui était passionnant.”

Bien que les microbiomes végétaux soient très divers, le microbiome central est un ensemble de microbes présents 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 dans la croissance de l’hôte.

Le microbiome central que les chercheurs ont découvert dans le Miscanthus comprenait des bactéries fixatrices d'azote qui ont été trouvées dans le riz et l'orge dans d'autres études. Tous ces microbes jouent un rôle en aidant les plantes à acquérir de l’azote, un nutriment essentiel à la croissance des plantes. 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 graminée en tant que culture bioénergétique potentielle.

En revanche, l’influence de la variation génétique entre les plantes a eu un effet moindre sur le microbiome de la rhizosphère, qui a été plus fortement affecté par l’environnement du sol. Malgré cela, les plantes ont mis davantage l’accent sur le recrutement de champignons que sur d’autres microbes.

Les chercheurs souhaitent analyser quels gènes jouent un rôle dans l’influence du microbiome. “Les microsatellites n'ont pas de fonction biologique et ne sont pas représentatifs de l'ensemble du génome. Ce serait bien si nous pouvions séquencer l'ensemble du génome du Miscanthus et comprendre comment les gènes affectent la fixation de l'azote”, a déclaré Ji.

“La sélection végétale est basée sur le rendement. Cependant, nous devons avoir une vision plus large et réfléchir à la manière dont les microbes peuvent contribuer à la durabilité des cultures”, a déclaré Kent. “L'intérêt de travailler avec des plantes sauvages réside dans le fait qu'il existe une vaste variation génétique à examiner. Nous pouvons identifier les variantes qui sont efficaces pour recruter des microbes fixateurs d'azote, car nous pouvons utiliser moins d'engrais sur ces cultures. C'est une possibilité passionnante alors que nous nous lançons dans adapter ces plantes à des fins bioénergétiques.

L'étude « La variation génétique de l'hôte entraîne la différenciation du rôle écologique du microbiome natif associé aux racines de Miscanthus » a été publiée dans Microbiote.