Un biocapteur de nouvelle génération révèle le rôle essentiel de la gibbérelline dans la fixation de l’azote des légumineuses

Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont démontré que l’hormone végétale gibbérelline (GA) est essentielle à la formation et à la maturation des nodules racinaires fixateurs d’azote chez les légumineuses et peut également augmenter la taille des nodules. Ils ont identifié les moments et les endroits spécifiques où la GA régit l’initiation, la croissance et la fonction des nodules. Ces résultats aident à concilier les rapports contradictoires suggérant que la GA inhibe et est nécessaire à la nodulation en identifiant les zones où la GA est essentielle.

Les cultures céréalières comme le blé, le maïs et le riz sont des cultures gourmandes en azote et dépendent fortement des engrais synthétiques pour répondre à leurs besoins. Cependant, les engrais azotés synthétiques nécessitent une énorme quantité d’énergie pour leur fabrication, sont coûteux pour les agriculteurs et ont des impacts environnementaux négatifs comme la pollution de l’eau.

Contrairement aux céréales, les légumineuses, comme les pois, les haricots et les légumineuses, peuvent obtenir leur propre azote grâce à une relation symbiotique naturelle avec des bactéries fixatrices d’azote, formant des organes dérivés des racines latérales appelés nodules. Cette capacité de fixation de l’azote conduit également à une teneur en protéines plus élevée dans les cultures de légumineuses, ce qui les rend plus nutritives pour la consommation humaine.

Cependant, les cultures légumineuses cessent de produire des nodules racinaires lorsque le sol présente des concentrations relativement élevées d’azote et, par conséquent, risquent de ne pas produire de rendements plus élevés.

Les scientifiques du monde entier travaillent sur la manière d’augmenter les rendements des légumineuses et de transférer les capacités de fixation de l’azote des légumineuses aux céréales, mais cela implique de démêler et de comprendre les voies génétiques et biochimiques complexes impliquées dans la formation des nodules et la fixation de l’azote.

Dans une recherche publiée dans La cellule végétaleLe groupe de recherche du Dr Alexander Jones au Sainsbury Laboratory de l’Université de Cambridge (SLCU) et le groupe du professeur Giles Oldroyd au Crop Science Centre ont fait un grand pas vers cet objectif en révélant la dynamique GA qui régit le développement, la morphologie et la fonction des nodules racinaires fixateurs d’azote.

Le Dr Jones a déclaré : « Il existe des rapports confus et contradictoires sur la fonction de GA dans la symbiose nodulaire. Des expériences ont montré que l’ajout de GA réduit la nodulation et que son élimination augmente la nodulation chez les légumineuses comme Medicago truncatula, ce qui suggère que GA est antagoniste à la nodulation. Mais il existe également un mutant de légumineuse dans les pois qui produit moins de GA et a moins de nodules, ce qui suggère que GA est en quelque sorte nécessaire à la nodulation. »

« Ces résultats contradictoires suggèrent qu’il y a probablement quelque chose qui se passe avec la configuration spatio-temporelle de l’AG. Par exemple, il peut y avoir des endroits spécifiques où l’AG doit être présente et d’autres où elle doit être absente. Ou que la concentration précise de l’AG est importante. »

Grâce au biocapteur de nouvelle génération très sensible nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2) développé par le Jones Group, le Dr Colleen Drapek a pu visualiser exactement où et quand la GA était présente et dans quelles concentrations relatives elle se produisait. Elle a découvert que la GA s’accumulait dans le primordium nodulaire (la zone du cortex racinaire où les cellules commencent à se diviser aux premiers stades de la formation des nodules) chez les Medicago infectés par des bactéries rhizobium.

Le Dr Drapek a déclaré : « Dès le début de la formation du nodule, on commence à voir une accumulation de GA dans les primordiums du nodule, mais très peu de GA ailleurs dans la racine. Au fur et à mesure que le nodule racinaire se développe, on voit que le GA s’accumule à des concentrations assez élevées et reste à des niveaux élevés dans le nodule mature. »

Le Dr Drapek a utilisé GA et des mutants symbiotiques de Medicago pour tester plus en détail les effets de GA en ciblant la surexpression des enzymes qui décomposent GA ou synthétisent GA. Le résultat pour le premier était qu’aucun nodule ne se formait et que le second avait des nodules plus gros. Elle ajoute : « Cela montre que GA est très important pour les nodules, mais que sa fonction est spécifique aux zones où le nodule est initié et non aux zones environnantes. Nous savons qu’un faible taux de GA est bon pour l’infection initiale des racines par le rhizobium, mais il faut ensuite que GA soit présent pour que le processus de nodulation se poursuive et que les nodules mûrissent. »

Dans des recherches antérieures menées par le Dr Katharina Schiessl au sein du groupe Oldroyd de la SLCU, il a été démontré qu’il existe un chevauchement dans le programme de développement utilisé par les plantes pour former des racines latérales et des nodules fixateurs d’azote.

Le professeur Oldroyd a déclaré : « Ces dernières découvertes montrent que l’accumulation de GA dans la racine est propre au développement des nodules et constitue donc probablement un élément critique du développement spécifique des nodules. Ces informations sont essentielles pour nous permettre de tenter de transférer la fixation de l’azote à d’autres cultures telles que le manioc et les céréales. »