Figure 1. Photographie de 41 isolats fongiques représentatifs du mycobiome racinaire d’A. thaliana. Crédit : Stéphane Hacquard/MPIPZ
Des communautés microbiennes complexes habitent les plantes et modulent leur développement. Les racines, en particulier, hébergent une grande diversité de micro-organismes – y compris des bactéries et des champignons – qui influencent directement la santé des plantes. Les chercheurs du MPIPZ ont précédemment découvert que ces champignons sont des membres importants du microbiome racinaire qui peuvent favoriser la croissance des plantes, mais seulement lorsqu’ils sont maîtrisés par l’action combinée du système immunitaire inné de l’hôte et des bactéries racinaires.
Dans une nouvelle étude publiée dans Communication Nature, Fantin Mesny et ses co-auteurs fournissent de nouvelles informations sur la façon dont ces champignons colonisent les racines, pourquoi nombre d’entre eux sont potentiellement nocifs et ce qui différencie les champignons bénéfiques des champignons pathogènes dans le mycobiome racinaire (c’est-à-dire la composante fongique du microbiote racinaire).
Pour répondre à ces questions, les chercheurs se sont concentrés sur la plante modèle Arabidopsis thaliana (Thale Cress), qui ne peut pas s’appuyer sur des champignons mycorhiziens bénéfiques pour acquérir des nutriments car il n’abrite pas le réseau génétique nécessaire pour établir une symbiose fonctionnelle avec ces champignons. A. thaliana dépend probablement d’autres champignons pour compenser la perte de partenaires mycorhiziens et pour survivre dans la nature. Pour mieux caractériser ces champignons colonisateurs de racines dans leur grande diversité, les chercheurs ont isolé une variété de souches fongiques des racines de plantes saines à travers l’Europe et sélectionné 41 qui sont représentatifs du mycobiome racinaire de A.thaliana (Figure 1).
En collaboration avec l’INRAE Nancy (France) et le JGI (USA), les génomes de ces champignons ont été séquencés et comparés à d’autres champignons précédemment décrits comme saprotrophes, pathogènes, endophytes ou mycorhiziens. Étonnamment, les scientifiques ont découvert que la plupart des membres du mycobiote racinaire – isolés des racines de plantes saines – provenaient d’ancêtres probablement pathogènes et avaient conservé une batterie de gènes qui s’étaient auparavant avérés perdus dans les génomes de champignons mycorhiziens bénéfiques. Ces gènes codent de petites protéines sécrétées de type effecteur qui pourraient moduler le système immunitaire de l’hôte et des enzymes qui peuvent dégrader un grand nombre de constituants de la paroi cellulaire des plantes, notamment la pectine, la cellulose et l’hémicellulose. Ces découvertes ont soulevé la possibilité que beaucoup de ces champignons aient conservé au moins une partie de leurs capacités pathogènes ancestrales.
Pour tester cette hypothèse, A. thaliana les plantes ont été cultivées dans un système fermé en l’absence de tout micro-organisme, ou recolonisées avec chacun des 41 isolats fongiques sélectionnés. Cette expérience a identifié une grande diversité d’effets fongiques sur la croissance des plantes, allant de très néfastes à bénéfiques. Notamment, les auteurs ont observé que les souches les plus nocives pour la plante colonisaient les racines de manière beaucoup plus agressive que celles ayant des effets bénéfiques. De plus, les champignons le plus souvent détectés dans les racines des A. thaliana dans la nature étaient également ceux qui montraient des effets nocifs sur leur hôte dans des expériences de mono-association. Des travaux antérieurs du groupe de Stéphane Hacquard avaient suggéré que le mycobiome de A. thaliana peut devenir préjudiciable lorsque le système immunitaire de l’hôte et les bactéries racinaires ne contrôlent pas étroitement la prolifération de ces champignons. Ces nouveaux résultats montrent que dans la nature, les champignons à fort potentiel de colonisation racinaire ont un potentiel pathogène élevé, expliquant la nécessité de contrôler leur croissance.
En utilisant une combinaison de méthodes d’association, y compris des modèles d’apprentissage automatique, les auteurs ont ensuite associé les effets fongiques sur A. thaliana croissance aux compositions du génome, et a identifié avec succès une famille de gènes candidats qui pourrait expliquer les effets néfastes et les capacités de colonisation des racines. Cette famille (pectate lyase PL1_7) code pour des enzymes qui dégradent la pectine, un constituant essentiel des parois cellulaires végétales, particulièrement abondant dans les racines des plantes dicotylédones telles que A. thaliana. Pour valider son implication dans l’activité néfaste des champignons, un gène de cette famille a été introduit dans le génome d’une espèce fongique qui ne l’héberge naturellement pas. La souche mutante résultante a été capable de coloniser les racines de manière plus agressive que l’isolat d’origine et cette augmentation de la charge fongique dans les racines a été associée à une pénalité sur les performances de la plante.
Selon le dernier auteur de l’étude Stéphane Hacquard, « Ces résultats indiquent que les répertoires d’enzymes dégradant la paroi cellulaire des plantes dans les génomes fongiques sont des déterminants génétiques clés conduisant à l’accès à l’endosphère racinaire et expliquant pourquoi les colonisateurs racinaires robustes peuvent potentiellement devenir nocifs s’ils se dégradent. racines trop agressivement.
Cette étude a mis en évidence que le mycobiome des plantes saines dans la nature est composé à la fois d’amis et d’ennemis. Cette découverte offre une nouvelle perspective sur les effets des champignons sur la santé des plantes et ouvre peut-être la porte à de nouvelles considérations et développements passionnants pour l’agriculture. Tirer parti de ces résultats pourrait potentiellement fournir une justification sur la façon de concevoir et d’optimiser les communautés fongiques synthétiques pour obtenir des résultats bénéfiques sur les performances des plantes.
Référence : « Déterminants génétiques de l’endophytisme dans le mycobiome racinaire d’Arabidopsis » 10 décembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038 / s41467-021-27479-y
