Comprendre le "qui avec qui" dans le microbiome

Les plantes, les animaux et les hommes sont colonisés par de nombreux micro-organismes tels que les bactéries et les champignons. Ceux-ci forment des communautés complexes qui ont une influence décisive sur la santé de leur hôte. Un microbiome connu est celui de l'intestin humain, qui digère pour nous les aliments et repousse les agents pathogènes.

Les plantes abritent elles aussi des communautés microbiennes au niveau des racines et des feuilles, qui peuvent favoriser la croissance et protéger contre les germes nuisibles. Les microbiomes végétaux recèlent le potentiel d'une agriculture plus durable. Toutefois, les interactions au sein de ces associations microbiennes ne sont encore que partiellement comprises.

Pourquoi n'y a-t-il généralement que certains microbes dans ces communautés et pas d'autres espèces ? "Nous savions que les microbiomes foliaires n'étaient pas des rassemblements aléatoires de microbes", explique Julia Vorholt, professeure de microbiologie à l'ETH Zurich. "Mais les règles selon lesquelles ces associations se forment et les mécanismes qui déterminent leur composition n'étaient pas clairs jusqu'à présent".

Une équipe de recherche dirigée par Vorholt a maintenant trouvé pour les bactéries qui vivent dans les feuilles de la plante modèle Arabidopsis thaliana ont mis en évidence un tel principe d'organisation. Les chercheurs ont développé un ensemble de modèles. Ceux-ci peuvent prédire, à partir de l'alimentation et du métabolisme des différentes souches microbiennes, comment les organismes interagissent entre eux ou les uns contre les autres à la surface des feuilles et comment sera constitué le microbiome qui en résultera.

L'équipe de recherche publie actuellement un article sur son étude, à laquelle ont également participé des collègues de l'EPF de Lausanne, dans le magazine scientifique. page externeScience.

Une compétition pionnière pour l'alimentation

Dans un travail précédent, le groupe de Vorholt avait déjà montré que les communautés microbiennes présentes sur les feuilles des plantes se ressemblent de manière frappante. "La composition stable des espèces microbiennes suggère un mécanisme sous-jacent qui oriente la structure du microbiome foliaire", explique Vorholt.

Martin Schäfer, post-doctorant dans le groupe de Vorholt et premier auteur de l'étude, explique : "Comme toutes les souches bactériennes dépendent en fin de compte de molécules organiques comme source de nourriture, nous avons étudié dans quelle mesure la capacité des bactéries à métaboliser différentes sources de nourriture ou à se spécialiser peut prédire leurs interactions".

Son collègue Alan Pacheco, également premier auteur, ajoute : "Les niches alimentaires pourraient conduire à des coexistences et des coopérations stables dans un environnement concurrentiel, où les microbes interagissent et profitent les uns des autres en échangeant des ressources alimentaires".

La question directrice que Vorholt a formulée avec son équipe est la suivante : peut-on déduire des fonctions métaboliques des bactéries des processus qui reproduisent de manière stable le microbiome naturel des feuilles ?

Les profils carbone révèlent la concurrence pour les ressources

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont d'abord testé la capacité de croissance de plus de deux cents souches bactériennes représentatives des feuilles de l'amarante sur un total de 45 sources de carbone différentes. Sur la base des profils de carbone, ils ont constaté que les niches alimentaires des souches se chevauchaient fortement. Cela indique une forte concurrence pour les ressources.

Grâce aux profils de carbone, les chercheurs ont créé une collection de modèles métaboliques pertinents pour toutes les souches bactériennes et ont simulé les interactions pour plus de 17'500 accouplements entre elles. En accord avec les niches alimentaires qui se chevauchent, les simulations ont montré une dominance marquée d'interactions négatives, c'est-à-dire une colonisation réduite d'au moins une des deux souches en raison de la concurrence.

Contourner la concurrence par la coopération

Les modèles métaboliques prédisaient toutefois aussi des interactions positives. Une analyse plus approfondie a montré que ces interactions coopératives pouvaient être attribuées à l'échange d'acides organiques et d'acides aminés. Les auteurs ont testé les prédictions des modèles dans des expériences sur des plantes et ont pu les confirmer avec une précision de 89 pour cent.

Le fait que les prédictions de leur modèle fonctionnent avec une telle précision a surpris les chercheurs eux-mêmes : "La grande pertinence indique que notre hypothèse de base sur l'importance des propriétés métaboliques était correcte", déclare Pacheco.

Rendre les microbiomes utilisables de manière ciblée

"Ce qui est bien avec nos modèles, c'est qu'ils fonctionnent aussi dans l'autre sens", explique Vorholt, "ils conviennent pour trouver des mécanismes qui conduisent à des modèles d'interaction". Il est ainsi possible de concevoir des microbiomes ciblés, ce qui est une condition essentielle pour les applications.

Ces découvertes ne sont pas seulement intéressantes pour la recherche fondamentale - elles sont également pertinentes pour la recherche agricole appliquée. Les entreprises de semences et d'agrochimie recherchent aujourd'hui, par essais et erreurs, des microbes pour une protection durable des plantes.

En tant que codirectrice, Vorholt dirige le Pôle de recherche national sur les microbiomes. Les travaux actuels de son équipe contribuent à la recherche du réseau de 20 groupes dont l'objectif est de comprendre les microbiomes - de la plante à l'homme - de manière à pouvoir exploiter leur potentiel considérable pour la santé, l'agriculture et l'environnement. Par exemple, en complétant de manière ciblée les communautés déséquilibrées avec le bon microbe, en éliminant certaines espèces ou en traitant les maladies par des combinaisons de bactéries aux fonctions particulières. Les modèles prédictifs joueront un rôle central à cet égard.