Les futures pénuries alimentaires devraient s’aggraver dans de nombreuses régions du monde. Dans cette optique, des techniques biologiques durables sont explorées qui pourraient augmenter le rendement des céréales et autres cultures vivrières et qui, contrairement à l’utilisation de pesticides chimiques, sont compatibles avec l’environnement. La bactérie Photorhabdus luminescens est déjà utilisée comme bioinsecticide pour protéger les cultures contre un large éventail d’insectes ravageurs. Des chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) en Allemagne ont récemment démontré que P. luminescens peut également protéger les plantes contre les infections fongiques.
Une forme cellulaire secondaire de la bactérie est responsable de cet effet supplémentaire. Cette variante colonise d’abord le mycélium fongique puis le détruit en dégradant la chitine, un composant majeur de la paroi cellulaire des champignons. Les résultats de ces recherches pourraient être très significatifs à l’avenir, notamment en ce qui concerne la production céréalière. « Nous voyons cela comme une excellente occasion de rendre l’agriculture plus respectueuse de l’environnement et durable à l’aide de ces bactéries », a déclaré le professeur Ralf Heermann de JGU.
Les méthodes biologiques peuvent entraîner des rendements de culture plus élevés
Comme d’autres plantes, les cultures sont sensibles aux stress environnementaux, aux maladies et à l’infestation par les ravageurs. Cela a un impact sur les rendements des cultures et la production alimentaire et soulève des inquiétudes quant à la sécurité alimentaire compte tenu de la croissance démographique mondiale. Les pertes agricoles les plus importantes sont attribuables à l’invasion des mauvaises herbes, aux ravageurs des animaux, ainsi qu’aux maladies des plantes causées par des bactéries, des champignons et des virus. Dans le passé, c’était l’utilisation intensive d’agents phytosanitaires chimiques qui assurait des rendements plus élevés et améliorait ainsi l’approvisionnement alimentaire. Cependant, cela s’est fait au prix de dommages environnementaux, d’un risque de toxicité mortelle pour l’homme et les organismes non ciblés tels que les insectes pollinisateurs, et surtout de la modification indésirable de la composition du microbiome du sol.
Une approche alternative est l’utilisation d’agents biologiques tels que les rhizobactéries qui favorisent la croissance des plantes et les nématodes qui attaquent les insectes nuisibles. Ce sont deux exemples de techniques agricoles nouvelles et durables pour lutter contre les ravageurs des plantes.
Les cellules primaires de Photorhabdus luminescens tuent les insectes et les font briller
Parmi ces approches plus durables figure l’utilisation de Photorhabdus luminescens comme organisme bénéfique qui détruit les larves d’insectes. Cette bactérie vit en symbiose avec de petits nématodes qui pénètrent dans les larves d’insectes et libèrent ensuite la bactérie à l’intérieur de celles-ci. Celui-ci sécrète alors de nombreuses toxines qui entraînent la mort des larves d’insectes, produisant simultanément une enzyme bioluminescente appelée luciférase qui fait briller les larves mortes.
Il y a environ deux ans, le groupe de recherche du professeur Ralf Heermann a découvert qu’il existe une cellule phénotypique supplémentaire de P. luminescens qui, bien qu’incapable de subir une symbiose avec les nématodes, est capable de survivre seule dans le sol. Ce type de cellule secondaire est génétiquement identique à la forme primaire, mais manque de certaines propriétés phénotypiques, telles que la bioluminescence. Cependant, selon les nouvelles découvertes du groupe, ces cellules secondaires sont extraordinairement efficaces contre les infections fongiques.
En utilisant des plants de tomates bovines comme exemple, l’équipe de microbiologistes de Heermann a montré que l’infestation par le champignon phytopathogène Fusarium graminearum peut être prévenue par les bactéries qui colonisent les hyphes fongiques, décomposant la chitine là-bas. Les scientifiques ont également réussi à identifier le mécanisme moléculaire responsable impliquant une enzyme appelée chitinase et une protéine liant la chitine. Cela permet aux bactéries de dissoudre la structure d’un champignon, en particulier sa paroi cellulaire, et d’inhiber efficacement la croissance fongique.
Nouvelle application potentielle pour favoriser la croissance des plantes et protéger contre les infections fongiques
« De plus, nous avons pu montrer que le type de cellule secondaire de la bactérie colonise en particulier les hyphes fongiques. Cela déclenche l’un des premiers mécanismes de protection des plantes contre les agents pathogènes », a expliqué le Dr Nazzareno Dominelli, membre de l’équipe de Heermann. et l’auteur principal de l’article récemment publié. « Grâce à nos résultats, nous pouvons désormais proposer une nouvelle utilisation de P. luminescens, en tant qu’organisme qui à la fois favorise la croissance des plantes et protège les plantes contre les infections fongiques. »
L’équipe de recherche prévoit de poursuivre l’investigation du potentiel prometteur qu’offre P. luminescens en matière de protection biologique des cultures. Les premières indications suggèrent que le type cellulaire secondaire, non luminescent, qui recherche activement les racines des plantes, pourrait offrir des avantages biotechnologiques supplémentaires pour l’agriculture.
La recherche a été publiée dans Microbiologie appliquée et environnementale.
Nazzareno Dominelli et al, L’insecte pathogène Photorhabdus luminescens protège les plantes contre le Fusarium graminearum phytopathogène via la dégradation de la chitine, Microbiologie appliquée et environnementale (2022). DOI : 10.1128/aem.00645-22