Symbioses entre plantes, champignons et bactéries : un éclairage original sur ces alliances ancestrales

Des chercheurs des centres Inra de Grand-Est-Nancy et Occitanie-Toulouse associés aux universités de Lorraine et de Toulouse en collaboration avec le Laboratoire des interactions plantes-microorganismes (Inra/CNRS), publient le 26 mai 2017 un article de synthèse sur les symbioses mutualistes entre plantes et microorganismes, mettant en perspective leur évolution et les mécanismes moléculaires et cellulaires qui contrôlent leur développement. L’intérêt de cette analyse réside dans la comparaison de plusieurs symbioses emblématiques : la symbiose mycorhizienne à arbuscules, l’ectomycorhize et les symbioses fixatrices d’azote à rhizobiacées et à Frankia.

Depuis leur colonisation des continents à l’Ordovicien il y a plus de 450 millions d’années, les plantes sont en interaction constante avec un cortège complexe de microorganismes (le microbiote) que ce soit dans leurs tissus (endosphère) ou à leur surface (rhizosphère, phyllosphère). Une partie de ces microorganismes se singularise par leur capacité à établir une relation mutualiste avec les plantes. Ils stimulent ainsi la nutrition de leur plante-hôte. C’est notamment le cas des champignons mutualistes mycorhiziens et des bactéries symbiotiques fixatrices d’azote. L’analyse des fossiles de plantes n’a pas encore permis de visualiser les structures développées lors de la symbiose fixatrice d’azote par les bactéries. Au contraire, de nombreux fossiles de plantes primitives ont confirmé que les premières plantes terrestres étaient déjà associées aux champignons mycorhiziens, les Gloméromycètes. Nul doute que ces microorganismes symbiotiques ont contribué au succès de la colonisation des continents par les plantes en augmentant considérablement la capacité d’absorption des racines explorant les sols primitifs très pauvres en éléments nutritifs.

Les chercheurs discutent les grandes étapes de l’évolution des symbioses mutualistes et comparent les mécanismes impliqués dans la colonisation des plantes-hôtes. Bien qu’impliquant des bactéries ou des champignons, les mécanismes moléculaires et cellulaires déployés lors des premières étapes de colonisation de la plante-hôte sont très voisins. De façon surprenante, les signaux diffusibles à base de chitine et la cascade de signalisation de la symbiose mycorhizienne contractée entre les premières plantes terrestres et les champignons Gloméromycètes, il y a plus de 400 millions d’années, ont été recrutés par les bactéries formant des nodosités fixatrices d’azote avec les légumineuses.  Sont également impliqués des modifications de la balance hormonale de la racine et divers mécanismes pour éviter le déclenchement de la défense immunitaire de la plante-hôte.

Les auteurs suggèrent que l’étude de ces symbioses mutualistes complexes pourrait permettre de mieux comprendre les interactions des plantes avec la multitude de microbes qu’elles hébergent. Cette meilleure compréhension des signaux et des mécanismes impliqués dans le développement symbiotique et leur modulation par différents facteurs (génotype de la plante, type de sol) devrait faciliter l’utilisation du microbiote des plantes dans le cadre d’une agriculture durable, par exemple en optimisant la croissance des plantes tout en diminuant l’apport d’engrais azotés et phosphatés dans les agrosystèmes et en favorisant la séquestration du carbone en forêt.