Biodiversité des bactéries rhizosphériques associées à des graminées pérennes
Nathalie Fromin
Jérôme Hamelin
Sonia Tarnawski
Ludovic Rousse-Delif
Maryline Jossi
Vanessa Di Marzo
Michel Aragno
Mots clef : rhizosphère, biodiversité, graminées pérennes, Molinia coerulea, Lolium perenne, atmosphère enrichie en CO2, FACE, interactions plante – bactérie, écologie moléculaire.
Introduction
La rhizosphère, interface entre la plante et le sol, constitue un compartiment d’intérêt majeur. Une part significative du carbone fixé lors de la photosynthèse est relarguée dans le sol lors de la rhizodéposition. Ces composés (principalement les exsudats racinaires) servent de substrat de croissance pour les micro-organismes du sol, et modifient les caractéristiques physico-chimiques du sol environnant. En d’autres termes, la rhizodéposition influence largement le développement de la microflore rhizosphérique. Les processus bactériens qui prennent place dans la rhizosphère sont essentiels pour le fonctionnement du système sol – plante (recyclage des nutriments, prélèvements racinaires, etc.) et contribuent à la santé des végétaux.
Notre projet a pour but d’étudier les bactéries associées à la rhizosphère de deux graminées pérennes hémicryptophytes caractérisées par des stratégies écologiques très différentes, afin de comprendre les processus microbiens qui s’y déroule et leur rôle dans le fonctionnement de l’écosystème prairial. En particulier, ce projet vise à évaluer les conséquences d’une augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique sur les rhizobactéries et le rôle de ces bactéries dans la réponse de l’écosystème à cette perturbation.
Thématiques de recherche
Les bactéries rhizosphériques, à l’interface entre la plante et le sol, jouent probablement un rôle majeur dans les relations de la plante avec son environnement et, inversement, elles sont affectées par les conditions de croissance de la plante (disponibilité en nutriments, teneur en CO2 atmosphérique, …). Ces hypothèses sont testées par différentes approches qui concernent :
Les communautés bactériennes : profils moléculaire
Les communautés bactériennes : profils métaboliques
Les bactéries fixatrices d’azote
Les populations de Pseudomonas spp.
Les Pseudomonas spp. dissimilant l'azote
Les communautés bactériennes : profils moléculaire
Mots clef : communauté bactérienne, DGGE, fingerprinting, diversité, analyses statistiques
La caractérisation des communautés bactériennes est basée sur la réalisation de profils moléculaires par la technique de PCR-DGGE de l’ADNr 16S (DGGE : électrophorèse sur gel en gradient de dénaturation). Au sein du laboratoire, nous développons plusieurs axes de recherche:
Un fragment du gène codant pour l’ARNr 16S est amplifié par PCR (ou RT-PCR) à partir d’ADN (ou d’ARN) totaux extraits directement des racines de plante ou du sol environnant.
Les profils générés donnent une représentation des populations bactériennes dominantes présentes dans l’échantillon et peuvent être utilisés pour suivre les variations dans la structure des communautés bactériennes en relation avec différents facteurs :
- au cours d’une saison de végétation
- en fonction de l’habitat de la plante pour M. coerulea
- sous l’effet d’un forçage en CO2 atmosphérique.
Pour mener à bien l’analyse de ces profils DGGE, une réflexion est menée sur leur interprétation en terme d’écologie (structure de communauté, diversité et fonctionnement des écosystèmes). Dans cette optique, nous élaborons des démarches méthodologiques qui nous permettent de décrire, puis comparer les profils de communauté et de tester statistiquement l’importance ou la pertinence des variations observées.
Dans les expérimentation FACE, les résultats d’analyses indiquent une forte influence de la date et de la racine sur la structure des communautés ainsi que des variations de structure et d’activité liées à l’augmentation du CO2 atmosphérique. Les modifications semblent encore plus marquées sur les profils ARN (populations actives).
Contact : Nathalie Fromin ; Maryline Jossi
Profils métaboliques des communautés bactériennes associées à la rhizosphère de Molinia coerulea
Sous atmosphère enrichie en CO2, l’exsudation racinaire est modifiée quantitativement (plus de carbone est relargué dans la rhizosphère) et qualitativement. Afin d’évaluer les conséquences de ces modifications sur les communautés bactériennes, nous avons mesuré la capacité des bactéries à respirer 31 sources de Carbone différentes à l'aide les ECOPlates BIOLOG.
Les analyses statistiques sur les profils de communautés permettent d’identifier certains substrats qui différencient les communautés issues de conditions de culture différentes. Ces analyses ont été réalisées avec l'aide de Florian Kohler du laboratoire d'écologie végétale et de phytosociologie
Contact : Jérôme Hamelin
Les bactéries fixatrices d’azote dans la rhizosphère de Molinia coerulea
Mots clef : nifH, fixation d'Azote, ARA, hybridation, clonage, séquençage
Notre équipe a pour objectif de comprendre dans quelle mesure la limitation en Azote assimilable peut influencer l’écologie des communautés bactériennes rhizophériques.
Une approche moléculaires (extraction d’ADN, PCR sur le gène nifH, clonage et séquençage) nous a permis d'identifier un groupe important de bactéries, différents des organismes cultivables déjà décrits. L'importance et l'activité de ce groupe par rapport à l’ensemble des bactéries fixatrices est évalué actuellement (extraction d'ARN, RT-PCR...). Il semble que ce groupe particulier soit actif dans la racine de Molinia coerulea.
En parallèle, nous nous efforçons d'isoler quelques représentants de ce groupe. Afin de compléter l'étude, des mesures d’activité fixatrice sont réalisées par test de réduction d’acétylène, Acetylene Reduction Assay (ARA), sur des cultures pures, du sol ou de jeunes plantules.
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Hamelin et al. (2001) Inventaire moléculaire des bactéries fixatrices d’azote associées à la rhizosphère de Molinia coerulea. Bulletin de la Société Suisse de Pédologie 25: 35-40.
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Hamelin et al. (2002) nifH gene diversity in the bacterial community associated with the rhizosphere of Molinia coerulea, an oligonitrophilic perennial grass. Environmental Microbiology 4(8):477-481.
Contact : Jérôme Hamelin
Les populations de Pseudomonas spp.
Mots clef : Pseudomonas, structure de populations, 16S-23S rDNA spacer, réduction des nitrate, activités de promotion de la croissance des plantes, compétence rhizosphérique.
Les populations de Pseudomonas spp. sont fréquentes et abondantes dans la rhizosphère de plantes annuelles et pérennes. Sous atmosphère enrichie en CO2, leur dominance est accrue dans la rhizosphère de Lolium perenne cultivé, et ceci d’autant plus que l’on est proche de la racine.
- Marilley et al. (1999) Influence of an elevated atmospheric CO2 content on soil and rhizosphere bacterial communities beneath Lolium perenne and Trifolium reprens under field (FACE) conditions. Microbial Ecology 38:39-49.
Au cours de ce travail nous comparons, sous pCO2 atmosphérique ambiante et élevée, la structure des populations de Pseudomonas spp., avec un intérêt particulier pour les propriétés physiologiques des Pseudomonas en relation avec la croissance de la plante et la compétence rhizosphérique.
Un protocole d'amplification PCR de la région ADNr 16S-23S (ITS1) spécifique du genre Pseudomonas a été développé. Ce protocole permet de vérifier l'affiliation d'isolats au genre Pseudomonas.
- Locatelli et al. (2002) Specific PCR amplification for the genus Pseudomonas targeting the 3' half of 16S rDNA and the whole 16S-23S rDNA spacer. Systematic and Applied Microbiology 25(2): 220-227.
L’utilisation du milieu sélectif mS1 et du milieu non-sélectif Angle pour l’isolement de souches environnementales de Pseudomonas a été évaluée. Les résultats ont montré que l'utilisation du milieu sélectif amenait à sous-estimer le nombre et la diversité des Pseudomonas spp., en particulier dans l'environnement sol.
- Tarnawski et al. (2003) Examination of Gould’s modified S1 (mS1) selective medium and Angle’s non-selective medium for collecting diversity of Pseudomonas spp. in soil and root environments. FEMS Microbiology and Ecology 45: 97-104.
L’influence d’une teneur élevée en pCO2 sur la structure phénotypique des Pseudomonas a été évaluée lors de la caractérisation d'environ 1200 souches de Pseudomonas isolées de la rhizosphere de L. perenne et M. coerulea. Les souches ont été carcatérisées pour des activités en relation avec la croissance de la plante ou la compétence rhizosphérique (production d’auxine, d’HCN, de sidérophores, dissimilation des nitrates.
Les résultats montrent qu’une teneur élevée en pCO2 modifie la structure phénotypique des Pseudomonas rhizosphériques, probablement via une altération de la rhizodéposition, et par conséquent des conditions physico-biochimiques de la rhizosphère.
- Tarnawski et al. Phenotypic structure of Pseudomonas populations is altered under elevated pCO2 in the rhizosphere of perennial grasses. Soumis à Soil Biology and Biochemistry
