INTERACTIONS
ENTRE LE LUPIN BLANC (LUPINUS ALBUS) ET LES BACTERIES
ASSOCIEES A SES RACINES PROTEOIDES:
Dialogue
entre plante et bactéries, description de la microflore
et physiologie de l'excrétion racinaire.
Travail
de thèse effectué au sein des laboratoires de Physiologie
végétale et de Microbiologie de l'Université
de Neuchâtel
Laure
Weisskopf, Doctorante*,** 
Nathalie Fromin,
Maître-assistante**
Nicole
Jeanneret, Laborantine*
Michel
Aragno, Professeur*
Nicola
Tomasi, Doctorant**
Enrico
Martinoia, Professeur **
* Laboratoire de Microbiologie de l’Université
de Neuchâtel
**
Laboratorium für Pflanzenphysiologie der Universität
Zürich
Ce projet de thèse
est financé par le pôle
de recherche national et fait partie du projet n°4, «
Plant nutrition under stress conditions ».
Mots-clés:
Lupinus albus, racines protéoïdes, rhizosphère,
exsudats racinaires, citrate, PGPR, communication chimique, isoflavonoïdes
Quelques mots sur le lupin blanc
Lupinus
albus est une des rares herbacées non-mycorhizées;
il résiste pourtant très bien à la carence
en phosphate. Les mécanismes à la base de cette
résistance sont notamment la formation de racines très
ramifiées qu'on appelle 'protéoïdes' ou 'cluster
roots', la sécrétion par ces racines de quantités
importantes d'acides organiques, du citrate essentiellement, ainsi
que de phosphatases acides. On peut faire l'hypothèse aussi
qu'il sait s'entourer d'une microflore spécialisée,
capable de l'aider dans l'acquisition du phosphate et de favoriser
la croissance de ses racines.
De
nombreuses études ont porté sur l'exsudation d'acides
organiques, notamment au laboratoire
de physiologie végétale. Cette exsudation et,
avec elle, le pH de l'environement racinaire varient considérablement
au cours du développement des racines protéoïdes,
si bien qu' on peut définir trois stades principaux de
développement :
- Les racines protéoïdes
jeunes (excrétion de malate, pH 5-7)
- Les racines
protéoïdes matures (excrétion massive de
citrate, pH 4-5)
- Les racines
protéoïdes sénescentes (excrétion
faible de citrate, pH 6-7)
La
rhizosphère du lupin blanc, et particulièrement
ces zones d'intense activité métabolique que représentent
les racines protéoïdes, constitue donc un milieu où
les ressources nutritives et les paramètres physico-chimiques
changent rapidement et fortement. On peut bien penser que ces
changements influencent grandement la structure des communautés
microbiennes, ce qui semble effectivement être le cas, d'après
les résultats préliminaires obtenus lors du travail
de diplôme qui a donnée naissance à ce projet.
Résultats
préliminaires:
Lupinus
albus exerce un effet sélectif spécifique au stade
mature, qui se manifeste par une baisse considérable du
nombre de germes cultivables dans l'environnement direct de la
racine. Cette diminution pourrait être due simplement à
une baisse du pH environnant, mais on peut aussi penser que la
plante sécrète des composés secondaires qui
pourraient agir comme inhibiteurs de certaines populations bactériennes.
Lupinus
albus semble favoriser, dans l'environnement immédiat de
ses racines protéoïdes, des bactéries potentiellement
bénéfiques, comme des productrices d'auxines ou
des solubilisatrices de phosphate.
Bactéries solubilisatrices
de phosphate (gauche) et productrices d'auxines (droite)
Objectifs du
projet:
-
Comprendre
la physiologie de l'excrétion racinaire d'acides organiques
et déterminer quelles sont les étapes enzymatiques-clés
qui sont susceptibles d'expliquer les changements quantitatifs
et qualitatifs de cette excrétion. Des études
effectuées précédemment au sein du laboratoire
de physiologie végérale ont montré une
expression différentielle de plusieurs enzymes en fonction
du stade racinaire, et notamment de l'ACL, l'ATP-Citrate-Lyase.
Cette enzyme produit de l'oxaloacétate et de l'acétyl-CoA
à partir du citrate. Comme l'oxaloacétate est
facilement réduit en malate, cette enzyme pourrait
bien expliquer le changement d'acide organique excrété.
Le but ici est d'étudier l'impact de l'ACL dans la
sécrétion racinaire.
-
Le
deuxième objectif de ce projet est de parachever la
description des communautés bactériennes esquissée
dans le travail de diplôme à l'origine de ce
travail, en termes de diversité, mais surtout d'activité
physiologique susceptible d'influencer positivement la croissance
et la nutrition de la plante.
-
Finalement,
comprendre le langage à la base du dialogue entre la
plante et les bactéries associées aux racines
protéoïdes constitue le 3e objectif du projet.
Le premier élément étudié ici
dans une perspective de sélection par la plante de
certaines populations de bactéries est la composition
des exsudats racinaires en composés secondaires tels
les isoflavonoïdes, des composés très répandus
chez les légumineuses et dont on a déjà
isolé 17 molécules différentes dans les
seules racines non protéoïdes de Lupinus albus.
Il sera donc intéressant de voir si des molécules
particulières sont spécifiques de certains stades
de croissance des racines protéoïdes.
Méthodes
utilisées:
- Physiologie de l'excrétion
racinaire
Il s'agit ici
d'introduire les deux sous-unités de l'ACL du lupin dans
un même vecteur de transformation (pCAMBIA), chacune précédée
d'un promoteur constitutif (35S) afin de surexprimer l'ACL.
Une fois cette construction réalisée, le but est
de transformer Arabidopsis thaliana par l'intermédiaire
d'Agrobacterium tumefaciens et d'étudier la sécrétion
de malate des plantes transformées en la comparant à
celle des plantes sauvages.
- Etude de la diversité
bactérienne associée aux racines protéoïdes
Pour
se faire une idée de la diversité en termes
de populations dominantes, on envisage d'amplifier par PCR
nichée un court segement (env. 200bp) du gène
qui code pour l'ARN 16S et de séparer les différents
amplifiats obtenus par DGGE (Denaturating Gradient Gel Electrophoresis),
une méthode qui sépare les fragments sur la
base de leur pourcentage GC.
En
ce qui concerne les activité physiologiques bactériennes
potentiellement bénéfiques pour la plante, des
tests seront effectués sur les bactéries isolées
de la rhizosphère du lupin blanc, qui permettront de
mettre en évidence les producteurs d'auxine et de sidérophores
ainsi que les solubilisateurs de phosphate.
- Dialogue entre plante
et bactéries
Les
exsudats racinaires provenant des différents stades
des racines protéoïdes ainsi que des racines non
protéoïdes seront analysés par HPLC. Les
molécules présentes seulement à certains
stades seront ensuite identifiées et leur effet testé
sur les bactéries isolées de la rhizosphère
du lupin blanc.
Trois
familles de Lupins
en culture...
