En contemplant un étang d’eau douce, vous pouvez voir de minuscules plantes vertes aux feuilles ovales flottant en grappes. Dans les étangs envahis par la végétation, ces plantes recouvrent la surface de l’eau. Ces plantes, appelées lentilles d’eau ou lentilles d’eau, peuvent pousser si vite qu’elles peuvent doubler leur nombre en un ou deux jours seulement. Mais ce que vous ne pouvez pas voir dans cet étang, c’est la bataille évolutive entre les plantes et les microbes qui tentent de les envahir.
Les plantes dépendent fortement des microbes qui les entourent. La communauté de bactéries, virus, champignons et autres microbes qui accompagne une plante est appelée microbiome.
Les microbiomes sont souvent spécifiques à un type de plante dans un endroit particulier. Il existe souvent des microbes bénéfiques qui font partie du microbiome d’une plante. Mais en même temps, il existe des microbes pathogènes contre lesquels les plantes doivent se défendre. Comprendre comment les plantes se défendent contre les agents pathogènes – ou n’y parviennent pas – pourrait aider les scientifiques à savoir comment mieux manipuler les microbiomes au profit des cultures bioénergétiques.
Des scientifiques soutenus par le Bureau des sciences du ministère de l’Énergie étudient la manière dont les bactéries interagissent avec les hormones des plantes et affectent leur croissance.
Une confrontation évolutive
Les stomates sont l’une des lignes de défense des plantes contre les microbes. Les stomates sont de petits pores situés sur les feuilles, les tiges, les fleurs et les racines des plantes, qui s’ouvrent et se ferment pour absorber le dioxyde de carbone et laisser sortir l’oxygène et l’eau. Ils agissent comme les portes d’une ville. Tout comme les portes, les stomates créent une barrière physique contre les bactéries envahissantes. La plante possède des hormones qui régulent si les cellules de garde maintiennent les stomates ouverts ou fermés. Cependant, certaines bactéries peuvent pirater ce système.
Les hormones végétales appelées auxines sont un autre acteur clé de ce va-et-vient évolutif. Les auxines sont une classe importante d’hormones qui affectent la croissance et le développement des plantes. L’auxine la plus courante dans la nature est appelée acide indole-3 acétique, ou IAA en abrégé.
Chez les plantes, l’AIA affecte la longueur des cellules, la réaction des plantes à la direction de la gravité et la structure des racines. Pour se protéger des agents pathogènes, les plantes peuvent réduire l’impact de l’AIA. Comme les plantes doivent à la fois grandir et se défendre, il est important qu’elles augmentent ou diminuent leur AIA en cas de besoin.
Mais comme cela arrive souvent au cours de l’évolution, certaines bactéries ont trouvé une faille dans cette défense. Les bactéries associées aux plantes produisent également de l’AIA et le font de la même manière que les plantes. Dans le cadre de ce processus, certaines de ces bactéries ont développé une stratégie de substitution à la gestion de l’AIA par les plantes. Elles produisent suffisamment d’AIA pour affecter les voies chimiques et la croissance des plantes.
Les plantes dont les voies d’auxine sont affectées par ces bactéries développent des racines primaires plus courtes que celles qui n’en ont pas. Elles développent également davantage de racines parallèles à la surface du sol et possèdent davantage de poils racinaires (les minuscules cellules racinaires qui bourgeonnent à partir de la couche superficielle de la racine).
Un regard sur le processus
Ces luttes évolutives sont bien plus qu’une simple merveille écologique. Elles sont également importantes pour la productivité des cultures bioénergétiques, la productivité agricole et la conservation. En cartographiant comment, quand et où les bactéries produisent des hormones végétales, les scientifiques peuvent comprendre comment les plantes s’adaptent aux environnements changeants.
L’augmentation de la production d’une hormone spécifique issue du microbiome d’une plante ou la création d’un microbiome synthétique pourraient aider les agriculteurs à améliorer la croissance des cultures. Connaître la manière dont les agents pathogènes affectent la croissance des racines et la biomasse globale pourrait permettre aux scientifiques d’éviter ces problèmes lors de la culture de ces plantes pour produire des biocarburants.
Pour étudier cette relation, des chercheurs de l’Université Rutgers, de l’Université du Tennessee et de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill lentille d’eau étudiéeLe genre de plantes connu sous le nom de lentille d’eau est extrêmement commun et bien étudié. Les scientifiques disposent de nombreuses informations sur sa génétique, notamment sur les variations des séquences d’ADN entre différentes populations de lentilles d’eau.
Dans une étude précédente, le groupe a échantillonné le microbiome de lentilles d’eau dans la nature et a découvert qu’il était similaire à celui de nombreuses plantes communes. Sur les 47 souches bactériennes analysées, près de 80 % produisaient des composés similaires à l’IAA. Avec le soutien de scientifiques du Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement (un établissement utilisateur du Bureau des sciences du DOE), l’équipe a inoculé des semis de lentilles d’eau avec 21 de ces souches.
Certains des semis traités présentaient une croissance racinaire normale de type sauvage. Certaines plantes contenaient d’autres souches bactériennes produisant l’auxine active IAA. Chez ces plantes, les racines des plantes étaient beaucoup plus courtes et beaucoup plus ramifiées. De même, les plantes dépourvues d’un gène nécessaire pour détecter la présence d’auxines étaient moins sensibles à l’IAA que les plantes de type sauvage. Ces plantes ne répondaient pas aux bactéries productrices d’IAA.
Révéler l’invasion
Étonnamment, sur les 21 souches bactériennes, seules quatre ont affecté la croissance des plantes comme les scientifiques l’attendaient. Ce n’est pas une coïncidence si ce sont elles qui ont produit le plus d’IAA dans les tubes à essai. Il semble que même si les autres pouvaient produire des composés liés à l’IAA, les quantités n’étaient pas suffisantes pour déclencher une réponse des plantes. Ces quatre souches semblaient être particulièrement douées pour passer outre les défenses des plantes.
Mais ces bactéries ont-elles réussi à passer les défenses grâce à l’IAA ou à une autre approche ? Les scientifiques répondu à cette question En étudiant les plantes mutantes dépourvues du gène régulant l’auxine, ils ont découvert que les bactéries ne pouvaient pas simplement pénétrer dans les cellules végétales et coloniser les plantes mutantes. De toute évidence, ces bactéries avaient trouvé un moyen de pirater le système auxine pour travailler en leur faveur.
La question suivante était de savoir où les bactéries avaient pu pénétrer dans les stomates. Si les stomates des plantes sont un mécanisme de défense, ils constituent également une faiblesse. À l’aide de colorants spéciaux et de microscopes, les chercheurs ont trouvé de nombreuses bactéries envahissantes dans les stomates de la lentille d’eau sauvage. En revanche, la plupart des bactéries des plantes mutantes se trouvaient à la surface, où elles ne pouvaient pas se diriger vers les stomates. Comme un envahisseur trompant les gardes aux portes d’une ville fortifiée, les bactéries qui ont réussi à s’en sortir ont utilisé le système auxine pour tromper les cellules de garde.
En suivant un petit peu ce bras de fer évolutif entre les plantes et les bactéries, on peut penser que les plantes sont susceptibles de disposer de multiples mécanismes de défense contre les bactéries qui produisent de l’AIA.
Si les feuilles et les tiges des plantes sont facilement visibles au-dessus du sol, tout un système complexe de comportements coopératifs et compétitifs reste invisible. En mettant en lumière ces relations, les scientifiques posent les bases d’une culture plus durable des plantes destinées à la production de biocarburants.