Shiqi Zhang a passé plusieurs mois assise seule dans une pièce sombre, fixant intensément la lentille d’un microscope confocal alors qu’elle concentrait un faisceau laser sur des cellules végétales montées sur une lame de verre. Elle mesurait les changements d’intensité de la lumière fluorescente émise par les cellules lorsqu’elles étaient frappées par un faisceau laser. Le travail subtil et minutieux en valait la peine : à partir des images colorées qui en résultaient, elle a pu mesurer la quantité de phosphate dans les cellules vivantes individuelles d’un système symbiotique plante-champignon, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.
« Avant cette étude, nous ne pouvions quantifier le phosphate qu’en broyant la racine, en la mesurant et en obtenant un nombre de grappes sur un écran », a déclaré Zhang, stagiaire postdoctorale dans le laboratoire de Maria Harrison au Boyce Thompson Institute. « En fait, voir du phosphate en couleur à l’intérieur d’une cellule sous un microscope était beaucoup plus excitant. »
Les outils et les méthodes que l’équipe a développés pour l’étude ont de larges applications pour la recherche agricole. Par exemple, ils pourraient aider à identifier les variantes de plantes qui acheminent efficacement le phosphate vers leurs racines, pousses, fruits – quelle que soit la partie de la plante récoltée – et les sélectionneurs de plantes pourraient utiliser ces informations pour améliorer les cultures.
« Tout ce qui rend les plantes plus efficaces dans leur utilisation du phosphate est très bénéfique pour l’agriculture, et ces outils aideront à y parvenir », a déclaré Harrison.
Les résultats ont été publiés dans l’édition de juin de Nouveau Phytologue.
Le laboratoire de Harrison étudie les relations symbiotiques entre les champignons mycorhiziens arbusculaires et les plantes terrestres. La plante hôte échange du carbone contre des nutriments minéraux, principalement du phosphate, du champignon, qui trouve ces nutriments en étendant de longues structures filamenteuses appelées hyphes hors de l’hôte et dans le sol. Mais on ne savait pas exactement comment les champignons influencent la teneur en phosphate de leurs hôtes et comment les cellules hôtes individuelles réagissent aux changements de teneur en phosphate.
« Nous savions que le phosphate se déplaçait du champignon vers la plante hôte, puis entre les cellules de l’hôte, mais personne n’avait réellement suivi le transfert », a déclaré Harrison. « La modification des outils développés par des collègues de la Texas A&M University nous a permis de visualiser et de surveiller ces dynamiques. »
La clé de la technique était l’amélioration des biocapteurs, qui sont des protéines fluorescentes génétiquement codées dans une plante qui détectent un ion particulier. Lorsque les biocapteurs se lient à l’ion, la couleur de la lumière fluorescente qu’ils émettent change, fournissant une lecture quantifiable de la teneur en ions. Un biocapteur témoin qui ne se lie pas au phosphate a également été développé. Ces aspects du travail ont été effectués à Texas A&M dans le laboratoire de Wayne Versaw.
Ensemble, les équipes de Harrison et Versaw ont modifié les biocapteurs pour leur permettre de travailler spécifiquement dans les cellules racinaires mycorhiziennes. Les capteurs ont été testés sur Brachypodium distachyon vivant en symbiose avec deux espèces de champignons AM, et devraient fonctionner sur plusieurs espèces agricoles importantes, notamment le riz, le blé et le sorgho.
« Dans ma recherche doctorale, j’ai travaillé avec des biocapteurs de calcium et les biocapteurs de phosphate fonctionnent sur les mêmes principes », a déclaré Zhang.
« L’expérience de Shiqi lui a permis de repousser les limites de l’imagerie des racines mycorhiziennes en localisant et en quantifiant la teneur relative en ions phosphate », a ajouté Harrison.
Ensemble, les nouveaux outils et méthodes ont permis à l’équipe d’observer comment la teneur en phosphate variait entre les types de cellules de la racine de B. distachyon ; comment la teneur en phosphate dans les cellules variait avec le stade de développement du champignon voisin ; et la rapidité avec laquelle le champignon a transféré le phosphate aux cellules végétales adjacentes.
Shiqi Zhang et al, Un biocapteur codé génétiquement révèle une variation spatio-temporelle de la teneur en phosphate cellulaire dans les racines mycorhiziennes de Brachypodium distachyon, Nouveau Phytologue (2022). DOI : 10.1111/nph.18081