interactions plantes / micro-organismes à travers...

Interactions

plantes / micro-

organismes

à travers quelques

exemples Université de Bourgogne, UFR SVTE

Claire OLIVE

PAF - 12 janvier 2017

Schématisation de l’interaction entre une

plante et des bactéries pathogènes

et symbiotiques (D’après Grant et al., 2006).

1

Lignée verte Chlorobiontes

Rhodobiontes (Algues rouges) Ulvophytes

(Algues vertes)

Charophytes

Embryophytes (Archégoniates)

Lignée brune

Phylogénie simplifiée des Eucaryotes

d’après Lecointre et Le Guyader (2006)

Straménopiles

Haptophytes (Coccolithophoridées) Diatomées

Phéophycées (Algues brunes)

Oomycètes (Mildiou de la vigne)

Alvéobiontes

Dinophytes

Ciliés (Paramécies)

Apicomplexés

Euglénobiontes

Opistochontes

Eumycètes

Métazoaires

Mycétozoaires (Myxomycètes)

Organismes photosynthétiques

Champignons sens large

Introduction : les notions de plante et micro-organisme

2

Introduction : les notions de plante et micro-organisme

3

Temps (années)

1700 2000 1900 1800

Vie microbienne

A. van Leeuwenhoek (1632‐1723)

Phylogénie moléculaire et

classification naturelle

E. Zuckerkand & L. Pauling (1965)

Woese et al. (1977, 1990)

Microbiologie

environnementale

Notre perception du monde microbien

L’écologie moléculaire, entre

biais et puissance

Introduction – les notions de plante et micro-organisme

Techniques actuelles d’écologie moléculaire : comment connaître la

diversité microbienne écosystémique ?

4

Introduction – les notions de plante et micro-organisme

5

* *

*

*

* Acquisition

pluricellularité

Les interactions au niveau

de la phyllosphère

Introduction - Différents lieux d’interaction

Photographie de

trichomes à la

surface foliaire de

tomate observée au

microscope

électronique à

balayage (d’après

Ojanen-Reuhs et al.,

1997).

Colonisation

d’une feuille de tomate

par X. axonopodis pv.

vesicatoria. La flèche

indique la localisation

préférentielle des

massifs bactériens au

niveau des trichomes.

1 mm

6


de la phyllosphère

Introduction - Différents lieux d’interaction

Micrographie (microscope

confocal à fluorescence)

de la flore microbienne

naturelle de la

phyllosphère de Haricot

(Phaseolus vulgaris).

Marquage fluorescent par

Live BacLight, qui confère

une fluorescence verte aux

bactéries Gram-négatives et

une florescence rouge aux

bactéries Gram-positives. 20 mm

7


de la phyllosphère

Introduction – Différents lieux d’interaction

Composition des communautés bactériennes identifiées dans la

phyllosphère du seigle (Lolium perenne) et de l’olivier (Olea europea) (d’après

Hirano et Upper, 2000).

8


de la rhizosphère


Observation microscopique

de bactéries marquées au

DS-red (fluorescence rouge)

adhérant à la surface

racinaire (apex).

9


de la rhizosphère


Vue d’ensemble des interactions plantes-micro-organismes dans la rhizosphère

et le sol entourant les racines.

V.Coats et M.Rumpho, Front. Microbiol., 23 July 2014

10


de la rhizosphère


Effets des PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) sur l’architecture du

système racinaire et le fonctionnement racinaire.

Frontiers in Plant Science, September 2013, Volume 4

11

Effets sur la

morphogenèse

+

+

-

Effets trophiques

Les différents types

d’interactions biologiques

Introduction – Différents types d’interactions

Les gains correspondent à des variations de valeur sélective.

Gain pour l’espèce A

Gain

po

ur

l’esp

èce B

Positif Neutre Négatif

Positif Mutualisme

Symbiose

Commensalisme Prédation

Parasitisme

Neutre Commensalisme

Neutralisme Amensalisme

Négatif Prédation

Parasitisme

Amensalisme Antagonisme (dont

compétition)

12

Les interactions symbiotiques

Introduction – Différents types d’interactions

Les différents types de contacts entre symbiontes.

D’après MA Selosse (2000).

13

Symbiose Rhizobium / Fabacées

Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N2

14

Nodosités sur des racines de Medicago truncatula

Symbiose Rhizobium / Fabacées


15

Electronographie (MET) d’une coupe de nodosité de racine de Glycine, avec

bactéroïdes de Bradyrhizobium japonicum.

Nodosités indéterminée ou déterminée


16

Nodosité indéterminée en coupe, sur Médicago (gauche)

et schéma de zonation (droite)

D’après Rodriguez-Haas et al., Metallomics, 2013,5, 1247-1253

Importance biologique

de la fixation de N2


17

Cultures d’A. thaliana et épis de Maïs sauvage récoltés avec (gauche)

ou sans (droite) intrants nitratés

Nutrition azotée des plantes


18

N2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante )

NH3 ammoniaque

NH4+ ammonium

N2O oxyde nitreux

NO oxyde nitrique

NO2- nitrite

NO2 dioxyde d’azote

NO3- nitrate

Sources minérales d’azote :

Faibles quantités



19

Les plantes assimilent l’azote sous les formes NH4+ et NO3

-

• Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-) : nitrate transporter (NRT)

• Conversion nitrate en nitrite (NO2-) : Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol

• Conversion nitrite en ammonium (NH4+) : Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplaste

N2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante )

NH3 ammoniaque

NH4+ ammonium

N2O oxyde nitreux

NO oxyde nitrique

NO2- nitrite

NO2 dioxyde d’azote

NO3- nitrate

Sources minérales d’azote :

Faibles quantités



20

Les plantes assimilent l’azote sous

les formes NH4+ et NO3

-

• Absorption (‘uptake’) du nitrate (NO3-) :

nitrate transporter (NRT)

• Conversion nitrate en nitrite (NO2-) :

Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol

• Conversion nitrite en ammonium (NH4+) :

Nitrite reductase (NiR), dans le

chloroplaste

Dans les nodules :

• Fixation du N2 atmosphérique par la

nitrogénase

La nitrogénase


21

N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

Modélisation moléculaire (droite) et schéma fonctionnel (gauche)

Une symbiose trophique


22

Schéma de la coopération entre cellule hôte et bactéroïde pour la fixation

du diazote (Lb : leghémoglobine). D’après MA Selosse (2000).

Mise en place de la symbiose


23

Infection des poils absorbants

par Rhizobium

A = inoculé (« hair curling »)

B = non inoculé



24

Oldroyd & Downie (2004). Calcium kinases and nodulation signaling in legumes.

Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 5, 566-576.

Micrographies b, c, d : Détection histochimique de la b-galactosidase de

Rhizobium leguminosarum exprimant lacZ, sur racines de Pisum sativum.

20 mm 20 mm

100 mm



25

Coupe de racine d’Alphalpha : jeune nodule et racine latérale émergente



26

Racine de Medicago truncatula : 4 jours post-inoculation



27

D’après M.A. Selosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique

et évolutif »



28

D’après M.A. Selosse (2000). « La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et

évolutif »

Dialogue moléculaire entre

bactérie et légumineuse lors

de la mise en place de la

nodosité.



29

Recherche des acteurs de la voie de signalisation Nod par l’approche

génétique chez Medicago truncatula.

D’après F.Debelle et al., M/S n° 2, vol. 23, février 2007



30

Modèle hypothétique des

voies de signalisation

symbiotiques Nod et Myc

chez M. truncatula.

NFP : recepteur kinase a

domaines LysM ;

DMI1 : canal cationique

presomptif ;

DMI2 : recepteur kinase a

domaines LRR ;

DMI3 : proteine kinase

calcium- et calmoduline-

dependante ;

NSP1, NSP2 : facteurs de

transcription.

D’après F.Debelle et al.,

M/S n° 2, vol. 23, février

2007



31

Signalisation en aval des

facteurs Nod dans une

cellule épidermique.



32

Modèle moléculaire de formation du nodule au niveau du cortex.

Importance dans le cycle du N


33

Bactéries dénitrifiantes

H2 + 2NO3- N2 + 6H2O

Bactéries nitriques

NO2- + ½ O2 NO3

-

Bactéries nitreuses

NH4+ + 3/2 O2 NO2

- + H2O + 2H+

Diversité des

mycorhizes

Partie 2 : les mycorhizes

Principaux types

d'associations symbiotiques

entre des champignons (en

bleu) du sol et des racines

de végétaux

(A) racine sans mycorhize,

(B) endomycorhizes à

vésicules et à arbuscules (MA)

(C) endomycorhizes à

pelotons,

(D) ectendomycorhizes,

(E) ectomycorhizes chez les

Angiospermes,

(F) ectomycorhizes chez les

Gymnospermes

(Duhoux & Nicole, 2004).

34

Des échanges trophiques


35

Ectomycorhizes (ECM)


36

Endomycorhizes vésiculaires

arbusculaires(AM)


37

Gigaspora margarita (Gloméromycète) sur

des racines de lotier (Lotus japonicus,

Fabacées)


arbusculaires(AM)


38

Martin Parniske

Nature Reviews Microbiology 6,

763-775 (October 2008)

La zone arbusculaire

PAS = PeriArbuscular Space

PAM = PeriArbuscular Membrane


arbusculaires(AM)


39

Prélèvement du phosphate (Pi)

par des racines non mycorhizées

(a) ou mycorhizées (b)

Martin Parniske

Nature Reviews Microbiology 6, 763-

775 (October 2008)


arbusculaires(AM)


40

Flux métaboliques dans l’AM Martin Parniske

Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)


arbusculaires(AM)


41

Attribution des ressources de carbone de la plante à ses différents

symbiotes en fonction de leur niveau de coopération. Si la valeur indiquée par le trait dans le rectangle gris est au-dessus de zéro, cela signifie

que davantage de carbone a été attribué à l'espèce du haut. Kiers et al. 2011 - Science


arbusculaires(AM)


42

Signalisation endosymbiotique précoce

LCOs = lipochitooligosaccharides EP Journet – LIPM Toulouse


arbusculaires(AM)


43

Etapes du développement de l’AM

PPA = prepenetration apparatus

Myc = mycorrhiza factors


arbusculaires(AM)


44

Nodulation et

mycorhization :

des acteurs communs

de la voie de

signalisation

Martin Parniske

Nature Reviews Microbiology 6,

763-775 (October 2008)

Mycorhizes et évolution des

plantes terrestres


45

La théorie endosymbiotique

Partie 3 : Les endosymbioses à l’origine des mitochondries et des plastes

46

Konstantin

Mereschkowsky,

1905

Lynn

Margulis,

1967

• Mitochondries et chloroplastes dérivent des mitochondries et chloroplastes

préexistants (scissiparité)

• Organites entourés par une double membrane, nature de la membrane interne

• Ribosomes de type bactérien ‐ synthèse de leurs protéines

• Génomes (souvent 1 molécule d’ADN circulaire) … avec des gènes de type

procaryote

La théorie endosymbiotique


47

Arbre obtenu à partir de 21 séquences complètes d'ARN ribosomial 16S et

18S de bactéries, d'Eucaryotes, et d’organites semi-autonomes. (Pace, Olsen et Woese, 1986)

… et l’origine de la cellule eucaryote


48

Deux hypothèses pour

l’origine de la cellule

eucaryote

A- Scénario en deux étapes :

- Création par fusion

bactérie/archée d’une

cellule eucaryote

amitochondriale puis

- endosymbioses avec une

a-protéobactérie.

B- Création simultanée du

noyau eucaryote et de la

mitochondrie.

Le partenaire bactérien est

toujours une a-

protéobactérie. Le partenaire

archée varie suivant les

théories (ici méthanogène). Embley, T. M. & Martin. W. Eukaryotic evolution, changes and challenges.

Nature 440, 623–630 (2006).

Diversité actuelle des plastes


49

Diversité ultrastructurale des plastes de quelques lignées d’Eucaryotes D’après Robert et Roland (1998) modifié par Jean.

Diversité actuelle des plastes


50

Les chloroplastes chez les Eucaryotes. Les groupes possédant des

chloroplastes sont encadrés en vert. D’après Koonin, 2010.

Une endosymbiose primaire à

l’origine de la lignée verte


51

Des endosymbioses secondaires


52

Schéma d’un Cryptophyte

Les Cryptophytes sont de petites

algues unicellulaires.

Elles contiennent quatre génomes

distincts situés respectivement dans

leur noyau, dans les mitochondries,

dans le nucléomorphe (noyau

vestigial) et dans le plaste.

D’après MA Selosse (2000).

Des

endosymbioses

secondaires


53

Arbre phylogénétique des

Eucaryotes, construit à partir des

séquences des gènes nucléaires

codant les ARNr des petites sous-

unités ribosomiques

NM = codage par ADN du

nucléomorphe

NU = codage par ADN du noyau

Des endosymbioses secondaires


54

Relations de parenté entre

chloroplastes et Cyanobactéries

déduites de l'étude de 6

protéines

(Reyes Prieto et al., 2007)

Modèle de l’origine des plastes

de différents taxons


55

Keeling, 2013

Modèle de l’origine des plastes

de différents taxons


56

Keeling, 2013

Diversité des MO pathogènes Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes

Mildiou (Plasmopara viticola,

Oomycètes)

La pourriture grise (Botrytis

cinerea, Ascomycètes)

L’érinose (Colomerus

vitis, Acarien)

Oïdium (Erysiphe necator,

Ascomycètes)

Maladie de Pierce (Xylella

fastidiosa, Protéobactérie)

57

Diversité des MO pathogènes Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes

Mildiou (Plasmopara viticola,

Oomycètes)

La pourriture grise (Botrytis

cinerea, Ascomycètes)

L’érinose (Colomerus

vitis, Acarien)

Oïdium (Erysiphe necator,

Ascomycètes)

Maladie de Pierce (Xylella

fastidiosa, Protéobactérie)

30 mm

58

Défense des plantes :

immunité inductible MTI = PTI

Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes

Le système immunitaire des plantes en interaction avec des microbes.

MAMP = PAMP = Microbe (Pathogene)-Associated Molecular Pattern

D’après Heribert Hirt, 2012

59

Mécanisme d’infection et résistance ETI


Le système de sécrétion de type III est utilisé par des bactéries pathogènes des

plantes et des animaux (Pseudomonas, Yersinia, Salmonella, Shigella…) pour injecter

des protéines (effecteurs ; ici protéines Avr) dans le cytoplasme de l’hôte.

Hrp = Hypersensitive Response and Pathogenicity ; Avr = Avirulence ; ETI Effector

Triggered Immunity ; HR = Hypersentive Response

ETI Réponse

HR

60

Mécanisme d’infection et résistance ETI


Structure du système de sécrétion de type III (SST3) des bactéries

phytopathogènes (D’après Büttner & He, 2009).

ETI

61

Modèle « gène pour gène » de l’ETI


Modèle génétique de la relation « gène pour gène ».

La résistance de la plante, souvent associé à la HR, ne s’établit que si la plante

possède un gène R correspondant à un gène Avr de l’agent pathogène. Dans tous

les autres cas, la maladie se met en place (Flor, 1971)

ETI

62

Mécanisme d’infection


Les mêmes gènes bactériens peuvent être impliqués dans la pathogénicité

sur les plantes et sur les animaux.

63

Une course à l’armement


Infection par le pathogène du maïs

Cochliobolus

Production d’une toxine inhibant la

transcription des gènes de défense.

Les plantes résistantes produisent une

réductase de l’HC-toxine.

64

Une course à l’armement


Le modèle « zigzag » illustre l’intensité des réponses des défenses végétales

mises en place au cours du dialogue entre la plante et la bactérie (D’après

Jones & Dangl, 2006).

65

Importance économique


Production réelle et pertes estimatives de huit récoltes de 1988 à

1990, par parasite et par région (en billions$ US)

E. Oerke et al., “Crop production and crop protection : Estimated losses in

major food and cash crops »

66

Agrobacterium tumefasciens


Galle du collet sur racine de Carya illinoensis (Pacanier).

67



Electronographie d’Agrobacterium tumefaciens sur racine de carotte (gauche) et cycle

de développement (droite).

68



Schéma général de l’infection d’une cellule hôte par A.tumefasciens.

69



Technique de transgénèse par utilisation d’A.tumefasciens.

70

Pathogènes et densité

dépendance-négative


71

À 4 mois

A 6 mois

Compétition

intraspécifique ?...

Prunus serotina

Nb

de g

erm

inati

on

s




72

Influence

microbienne




73

Comita et al. (2010)

Sur 31 000 plantules de 180

espèces d’arbres des forêts du

Panama




74

Bagchi et al. (2010), sur Pleradenophora longicuspis (Euphorbiacée) en

ombrière (a) ou in situ (b), au Bélize

La densité-dépendance négative, une cause microbienne potentielle pour :

- la rareté de certaines espèces

- l’hyper-diversité végétale tropicale

Les applications agronomiques

CONCLUSION

Interactions entre

plantes et les

bactéries

coopératives (ici

PGPR) dans la

rhizosphère

http://www.ecologiemic

robiennelyon.fr/spip.ph

p?rubrique29&debut_b

iblio=50&lang=fr

75

Des réseaux d’organismes 76

CONCLUSION

Etude de 6400 m2 de forêt Corse (Fango)

Richard et al., 2006. New Phytologist 166: 1011

228 arbousiers 105 chênes verts

15 000 mycorhizes typées


CONCLUSION

Plus de 500 espèces de champignons mycorhiziens :

la diversité n’est pas ce qu’on voit… et la symbiose mycorhizienne est un réseau

MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011


CONCLUSION

Neottia nidus-avis…

associée avec des Sebacina…

… elles-mêmes associées aux arbres voisins


CONCLUSION


Des réseaux d’organismes… ayant

permis une évolution vers

l’hétérotrophie ou la mixotrophie

80

CONCLUSION


Une évolution originale, grâce aux réseaux mycorhiziens – chez les Orchidées, mais

aussi des Ericacées, des Gentianacées et des Polygonacées (tropicales), etc.

Merci de votre attention ! 81

Symbiose fougère aquatique /

cyanobactéries

ANNEXE

Association symbiotique entre Azolla et Anabaena.

82

Symbiose actinorhizienne

Frankia / Alnus

ANNEXE

83

Section d’un nodule

d’Aulne

Mycorhizes orchidoïdes

ANNEXE

CT de racine d’Orchidée mycorhizée

84

Peloton jeune entourant un reste

de peloton lysé (stade 4)

Peloton âgé, lysé

(stade 2)

Peloton très âgé, très

lysé (stade 3)

Peloton jeune, hyphes

bien visibles (stade 1)

Signalisation Nod (nodulation)

ANNEXE

Front. Plant Sci., 22 December 2015 | https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01121

85

https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01121

Structure de la nitrogénase

ANNEXE

86

interactions plantes / micro-organismes à travers...

Documents