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Nodules racinaires de Discaria (Famille des Rosales), une espèce non-légumineuse capable de symbiose fixatrice d'azote

© IRD / Sergio Svistoonoff

Les symbioses fixatrices d'azote se dévoilent

Mis à jour le 15.02.2019

De récentes recherches révèlent l’origine et l’évolution des associations symbiotiques entre certaines plantes et des bactéries du sol pour utiliser l’azote de l’air. À terme, ces connaissances pourraient contribuer au développement d’une agriculture durable, économe en engrais chimiques.

L’analyse comparative des génomes de plusieurs plantes permet de mieux comprendre l’origine des symbioses racinaires. Ce phénomène naturel associe certains végétaux à des bactéries du sol capables de capter l’azote atmosphérique. L’association optimise sensiblement la nutrition minérale des plantes concernées. « Malgré l’avantage significatif que représente cette association symbiotique, seules des légumineuses et quelques autres espèces chez leurs proches parentes des ordres des Fagales, Rosales et Cucurbitales, sont capables de développer cette symbiose , explique Valérie Hocher, physiologiste moléculaire des plantes à l’IRD. En mêlant étude du génome et étude de la parenté et de l’évolution, l’approche phylogénomique, menée au sein d’un consortium scientifique international 1, permet d’y voir plus clair 2. »

Bénéficier de l’azote atmosphérique

L’azote est un élément vital pour tout organisme vivant. L’atmosphère terrestre en est constituée à près de 80%, mais les plantes ne sont pas capables de l’utiliser directement sous sa forme gazeuse. Elles doivent le prélever sous une forme assimilable dans les sols. Elles sont donc sensibles à leur richesse naturelle en azote ou à leur éventuel enrichissement en engrais azotés, synthétisés par l’industrie chimique en utilisant des énergies fossiles. Certaines espèces végétales nouent alors des associations avec des bactéries diazotrophes?Micro-organismes fixant l’azote de l’air, leur permettant de pousser dans des milieux pauvres en azote, en profitant des inépuisables réserves de l’atmosphère. Pour cela, elles développent des organes racinaires spécifiques, appelés nodules, qui permettent le transfert vers la plante de l’azote atmosphérique, rendu assimilable par l’action de leurs partenaires bactériens.

« Pour comprendre les mécanismes évolutifsà l’origine des symbioses fixatrices d’azote, les génomes de37 espèces capables ou non de développer cette association ont été comparés », indique la chercheuse. 27 d’entre eux proviennent de base de données génomiques et 10 incluant des légumineuses, Fagales, Rosales et Cucurbitales ont été séquencés à cette occasion.

Le filao (famille des Fagales), ici à Mboro au Sénégal, pousse dans des milieux particulièrement pauvres grâce au développement d'une symbiose fixatrice d'azote

© IRD / Alexandre Tromas

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Un avantage souvent perdu

Ces analyses ont confirmé que la prédisposition à former des symbioses fixatrices d’azote existait chez un ancêtre commun à toutes les espèces capables de développer des nodules. Quant à la  comparaison des génomes, elle a révélé de façon surprenante que la capacité à former une symbiose fixatrice d’azote a été perdue chez de multiples espèces, dont certaines d’intérêt agronomique comme la pomme ou la fraise. La présence d’un gène, précédemment identifié pour son rôle essentiel dans le processus d’association avec les bactéries, en témoigne. Celui-ci, appelé NIN , est retrouvé dans le génome de toutes les plantes formant des nodules racinaires. En revanche, il est absent ou présent sous une forme fragmentée dans le génome de la majorité des espèces étudiées incapables aujourd’hui de former cette symbiose.

La perte de cette aptitude avantageuse reste encore inexpliquée. Elle signifie toutefois que la disposition symbiotique a pu s’avérer défavorable dans certaines circonstances. Une hypothèse avancée repose sur le piratage de la symbiose par des bactéries parasites « tricheuses », non pourvoyeuses d’azote. Dès lors, la perte de ce caractère apporterait un trait sélectif avantageux.

« L’enjeu de ces recherches dépasse largement les seules connaissances sur l’évolution des plantes , précise la physiologiste. Il s’inscrit dans la dynamique en faveur d’une agriculture durable, sobre en engrais chimiques, et vise au transfert ou à l’utilisation de la symbiose fixatrice d’azote au profit d’espèces cultivées d’intérêt agronomique majeur . » Les céréales de demain pousseront peut-être sans engrais de synthèse grâce à une bactérie associée…


Notes :
1.
Regroupant treize institutions de huit pays, dont l’équipe IRD Symbiose des plantes actinorhiziennes tropicales, de l’UMR LSTM 040

2. M. Griesmann, Y. Chang, X. Liu, Y. Song, G. Haberer, M. B. Crook, B. Billault-Penneteau, D. Lauressergues, J. Keller, L. Imanishi, Y. P. Roswanjaya, W. Kohlen, P. Pujic, K. Battenberg, N. Alloisio, Y. Liang, H. Hilhorst, M. G. Salgado, V. Hocher, H. Gherbi, S. Svistoonoff, J. J. Doyle, S. He, Y. Xu, S. Xu, J. Qu, Q. Gao, X. Fang, Y. Fu, P. Normand, A. M. Berry, L. G. Wall, J-M. Ané, K. Pawlowski, X. Xu, H. Yang, M. Spannagl, K. F. X. Mayer, G. K. Wong, M. Parniske, P.-M. Delaux, S. Cheng (2018) Phylogenomics reveals multiple losses of nitrogen-fixing root nodule symbiosis , Science , 24 mai 2018


Contact : valerie.hocher@ird.fr