Les humains et les animaux ont tous des signatures chimiques et microbiennes qui influencent leur bien-être d’une manière ou d’une autre. En médecine, l’utilisation de probiotiques plutôt que d’antibiotiques est devenue une priorité. Cependant, les humains et les animaux ne sont pas les seuls à avoir une relation étroite avec leur microflore. Les plantes présentent également des relations similaires avec leur environnement. Tout comme chez l’homme, les microbes jouent un rôle majeur dans la santé des plantes et la résistance aux maladies des plantes.
À l’Université d’Aarhus à Flakkebjerg, au Danemark, les chercheurs étudient les plantes, la santé des plantes et les maladies des plantes causées par des agents pathogènes microbiens. La capacité des plantes à lutter contre les agents pathogènes microbiens tels que les bactéries et les champignons est dans une large mesure déterminée par les gènes végétaux qui régulent les capacités de défense des plantes. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’AU Flakkebjerg ont étudié comment les plantes présentant différents traits de résistance interagissent avec leurs microbes pour répondre aux attaques d’agents pathogènes.
La recherche est publiée dans la revue Spectre microbiologique.
« Nous avons étudié ce qui se passe dans les plantes lorsqu’elles sont attaquées par un agent pathogène. Quels changements se produisent dans la plante elle-même ainsi que dans ses communautés microbiennes associées (c’est-à-dire le microbiome) lors d’une attaque par un agent pathogène ? Qu’est-ce qui rend certaines plantes résistantes alors que d’autres ne le sont pas ? Pour répondre à ces questions, nous avons exploré l’interaction entre les composés chimiques végétaux et la pléthore de communautés microbiennes associées à la plante.Ce n’est pas vraiment un nouveau domaine de recherche, mais en appliquant des technologies nouvelles et modernes dans cette étude, nous avons pu obtenir un aperçu beaucoup plus détaillé de ce qui se passe réellement, en termes d’interactions entre les produits chimiques végétaux et les microbes », explique le professeur adjoint Enoch Narh Kudjordjie, l’un des principaux chercheurs du département d’agroécologie de l’université d’Aarhus.
Les plantes ont leur propre système de défense intégré
Comme les humains, les plantes ont leur propre système immunitaire, qui joue un rôle énorme dans la prévention des maladies. La défense des plantes est étroitement régulée par les métabolites secondaires des plantes, les hormones et les microbes bénéfiques à l’intérieur et autour de la plante.
Ce système de défense et son activation sont complexes, et nous devons encore comprendre en détail comment ces composants s’associent pour aider la plante à se protéger des attaques. Cependant, il y a de la lumière au bout du tunnel alors que les scientifiques progressent dans l’étude de ces composants de défense en analysant différents génotypes végétaux, en utilisant de nouvelles techniques telles que le séquençage de nouvelle génération et les plateformes de chimie analytique.
« Nous avons travaillé avec une plante modèle connue sous le nom d’Arabidopsis thaliana. Les génotypes d’Arabidopsis ont différents niveaux de résistance à Fusarium oxysporum, un pathogène fongique qui attaque plusieurs espèces végétales. Dans le présent travail, nous avons utilisé deux génotypes d’Arabidopsis : l’un résistant et l’autre qui est sensible à Fusarium oxysporum. Ces génotypes contrastés ont été choisis pour nous permettre d’avoir une vision globale des changements métaboliques et microbiens qui soulignent la résistance et la susceptibilité des plantes lors d’attaques pathogènes », explique Kudjordjie.
Infection de la maladie
Pour commencer, les chercheurs ont infecté des génotypes d’Arabidopsis âgés de deux semaines poussant dans le sol d’un champ dans une serre avec le pathogène fongique Fusarium oxysporum. Pour examiner les changements au cours de la période d’infection, ils ont prélevé des échantillons de racines et de pousses à des intervalles de 5 jours, à partir de 5 jours après l’infection et jusqu’au jour 25 après l’infection. Ils ont confirmé les infections par qPCR et en surveillant les symptômes de la maladie.
« De cette façon, nous étions absolument sûrs que les plantes étaient réellement infectées. Le test qPCR a montré une nette différence entre les deux génotypes, le génotype résistant ayant un niveau d’agent pathogène beaucoup plus faible que celui sensible.
La chimie des plantes et le microbiome sont uniques
Kudjordjie poursuit : « Nous avons ensuite continué à explorer les différences qui peuvent exister dans la chimie et les microbiomes des deux génotypes, et nous avons trouvé de grandes différences. Comme prévu, les métabolites et les hormones végétales étudiées étaient distinctes chez les plantes saines et malades, confirmant l’implication de certaines molécules chimiques végétales dans la médiation de la défense des plantes De même, nous avons constaté que la composition microbienne, ainsi que les réseaux de communautés microbiennes, étaient distincts chez les plantes résistantes et sensibles saines et malades De plus, des bactéries bénéfiques telles que les genres Pseudomonas et Rhizobium étaient majoritairement enrichi dans la rhizosphère des plantes infectées, suggérant un recrutement actif de microbes pour résister à l’invasion des agents pathogènes. »
Les gènes, la chimie et les communautés microbiennes des plantes sont des acteurs clés
« D’un point de vue plus complet, le présent travail a approfondi notre compréhension de la façon dont les plantes se défendent contre un pathogène fongique. Plus important encore, nous avons trouvé une association forte et unique entre les métabolites de défense individuels et les microbes spécifiques dans les plantes saines et malades des différents génotypes. Une analyse plus approfondie des gènes responsables de la défense de la plante contre l’agent pathogène a révélé plusieurs mutations dans diverses voies chimiques et hormonales chez la plante sensible par rapport à la plante résistante. Ces résultats ont fortement confirmé que trois composants sous-jacents de l’hôte (gènes, métabolites et microbiomes), contrôler de manière interactive la défense de la plante », explique Kudjordjie.
« En termes simples, nous avons constaté que les génotypes de plantes individuelles ont un ensemble unique de gènes qui régulent les activités biologiques, y compris les processus métaboliques médiant l’assemblage de microbiomes spécifiques au cours de différents états physiologiques de la plante. Cependant, les microbes du sol influencent également ce qui se passe dans le plante. »
La protection naturelle des plantes à l’avenir
Peut-on imaginer un futur où les plantes seraient cultivées avec un rendement optimisé et d’autres gains agronomiques et économiques sans l’utilisation de produits chimiques de synthèse ? Cela améliorera la santé humaine et éliminera également la pollution de l’environnement par les produits agrochimiques. Jusqu’à présent, l’accumulation de preuves indique cette possibilité, et les découvertes actuelles des chercheurs de l’UA sont essentielles pour les futurs efforts de recherche dans le développement de produits naturels pour la protection des plantes.
« Bien que ces découvertes soient passionnantes, nous devons exploiter nos connaissances et les intégrer dans les futures stratégies de contrôle des maladies. Une approche du côté des plantes serait de développer des génotypes de plantes avec des niveaux accrus de métabolites défensifs pour attirer certains micro-organismes afin de combattre des agents pathogènes spécifiques. Cela implique que les phytogénéticiens devraient inclure la chimie des plantes dans leur boîte à outils. Une autre stratégie consiste à développer des inoculants microbiens, y compris plusieurs microbes bénéfiques qui peuvent améliorer de manière optimale la forme physique des plantes dans divers environnements. Nous sommes assez optimistes quant à l’utilisation des microbiomes comme protecteurs des plantes ainsi qu’un possibilité de cultiver des « super » cultures capables de se défendre contre les agents pathogènes à l’avenir », déclare Kudjordjie.
Plus d’information:
Enoch Narh Kudjordjie et al, Fusarium oxysporum Disrupts Microbiome-Metabolome Networks in Arabidopsis thaliana Roots, Spectre microbiologique (2022). DOI : 10.1128/spectre.01226-22