Sur la piste du pouvoir du microbiome

Dans et sur les feuilles et les racines des plantes vivent des centaines d'espèces de bactéries différentes, que l'équipe de recherche de Julia Vorholt de l'Institut de microbiologie de l'ETH Zurich a inventoriées et cataloguées pour la première fois il y a six ans, en collaboration avec des collègues d'Allemagne. A l'époque, ils ont également isolé 224 souches issues des différents groupes de bactéries qui forment les communautés sur les feuilles de l'arabette des champs (Arabidopsis thaliana). Celles-ci peuvent être assemblées en microbiomes végétaux simplifiés, dits synthétiques. Les chercheurs ont ainsi également posé la première pierre des deux nouvelles études qu'ils viennent de publier dans les revues "Nature Plants" et "Nature Microbiology".

Régulateur de volume de la réponse des plantes

Dans la première étude, les chercheurs se sont intéressés à la manière dont les plantes réagissent à leur colonisation par des micro-organismes. Pour ce faire, l'équipe de Vorholt a déposé des cultures de bactéries sur les feuilles de plantes que les chercheurs avaient jusqu'alors cultivées dans des conditions stériles. Comme prévu, les différentes espèces de bactéries ont déclenché différentes réponses de la plante. Alors que certains représentants des protéobactéries gamma ont modifié l'activité de plus de 3000 gènes différents, les plantes ont réagi aux représentants des protéobactéries alpha en activant en moyenne seulement 88 gènes.

"Malgré cette grande diversité avec laquelle la plante réagit aux différentes bactéries du microbiome, nous avons étonnamment trouvé une réponse végétale centrale : Un ensemble central de 24 gènes est pratiquement toujours engagé", explique Vorholt. Plus encore : comme une sorte de régulateur de volume de la réponse de la plante, l'intensité de l'activation de ces 24 gènes renseigne sur le degré de colonisation de la plante par les bactéries. Et le régulateur de volume prédit également le nombre d'autres gènes que la plante activera au cours de son adaptation à cette colonisation.

Les plantes présentant des défauts dans certains de ces 24 gènes sont plus sensibles aux bactéries nocives, comme l'a montré l'équipe de Vorholt. Et comme d'autres études avaient déjà mis en évidence certains gènes du noyau en lien avec la réaction des plantes au stress osmotique ou à l'attaque fongique, les chercheurs de l'ETH interprètent les 24 gènes comme une réponse immunitaire générale. "Cela ressemble à un entraînement immunitaire, même si les bactéries que nous avons utilisées ne sont pas des agents pathogènes, mais des partenaires dans les communautés de vie naturelles", explique Vorholt.

Une communauté de bactéries en déséquilibre

Dans la deuxième étude, Vorholt et son équipe ont examiné comment les communautés bactériennes se modifient lorsque la plante perd un ou plusieurs gènes en raison de mutations. Il était prévisible que les défauts génétiques des récepteurs, grâce auxquels les cellules végétales détectent la présence de microbes, jouent un rôle important dans cette histoire.

Mais de manière surprenante, c'est un autre défaut génétique qui a eu le plus grand effet : si les plantes manquaient d'une certaine enzyme, appelée NADPH-oxydase, la communauté bactérienne était déstabilisée. Grâce à cette enzyme, les plantes produisent des radicaux d'oxygène hautement réactifs qui ont un effet antimicrobien. En l'absence de NADPH-oxydase, des microbes qui, dans des conditions normales, vivaient paisiblement sur les feuilles, se sont développés en pathogènes (dits opportunistes).

La NADPH oxydase fait-elle partie du noyau de 24 gènes de la réponse immunitaire générale ? "Malheureusement non, cela aurait été trop beau", s'amuse Sebastian Pfeilmeier, collaborateur du groupe de recherche de Vorholt et premier auteur de l'étude. Cela s'explique notamment par le fait que le gène de la NADPH oxydase est déjà activé avant le Contact avec les microbes - et que l'enzyme est activée par des modifications chimiques (appelées phosphorylations).

Pour Vorholt, ces deux études prouvent que les microbiomes synthétiques sont une approche prometteuse pour étudier les interactions complexes au sein des communautés de vie. "Comme nous pouvons assembler les communautés de manière contrôlée et ciblée, nous dépassons le stade de l'observation - et pouvons non seulement constater les causes et les effets, mais aussi les comprendre au niveau moléculaire", explique Vorholt. Un microbiome optimal protège les plantes contre les maladies et les rend également plus résistantes à la sécheresse et au sel. C'est pourquoi l'agro-industrie s'intéresse aussi à leurs résultats. Ils doivent aider à mettre à profit la puissance du microbiome pour l'agriculture de demain.