2023-2024 M1 STA2E Ecology Microorganisms PDF

Ecologie microbienne Microorganismes favorisant la croissance des plantes : enjeux dans l’agriculture durable 1 Master STA2E - M1 IBE Ecologie microbienne Introduction 2 Master STA2E - M1 IBE Les plantes sont des producteurs primaires – entrée du carbone dans les écosystèmes Energie chimiqu...

Ecologie microbienne Microorganismes favorisant la croissance des plantes : enjeux dans l’agriculture durable 1 Master STA2E - M1 IBE Ecologie microbienne Introduction 2 Master STA2E - M1 IBE Les plantes sont des producteurs primaires – entrée du carbone dans les écosystèmes Energie chimique Photosynthèse Nutrition minérale 3 Master STA2E - M1 IBE La révolution verte à contribué à l’amélioration des rendements … Rendement de maïs aux USA Energie chimique * Photosynthèse Nutrition minérale *Boisseau/acre 4 Master STA2E - M1 IBE … mais sans tenir compte de l’influence du l’environnement (a)biotique 5 Master STA2E - M1 IBE Les plantes entretiennent de multiple interactions Interactions mutualiste et symbiotiques Pathogènes ou ravageurs Compétition et coopération avec d’autres plantes Avec les Hommes : alimentation et médecine, changement globaux liés à l’activité humaine 6 Master STA2E - M1 IBE Les plantes entretiennent de multiple interactions avec d’autres organismes Le phenotype des plantes est ainsi défini par les interactions qu’elles entretiennent avec d’autres organismes (le Phytobiome) resultant en un “phenotype étendu”. 7 Master STA2E - M1 IBE Phytobiome Plantes Animals Microorgansimes Multicellulaires Uni- ou multicellulaires Heterotrophes Photoauto-, heterotrophes Plants Organisation Multi-cellulaires Source énergetique Photo-autotrophes Protists* Fungi Autres Prokaryotes* Taille 10-3 – 102 m 10-2 -10-1 m 1-5 x 10-6 m Nombre d’espèces >360.000 >1 million (arthropodes) >10 million 8 Master STA2E - M1 IBE Interaction plantes - microorganismes Plantes Animals Microorgansimes Multicellulaires Uni- ou multicellulaires Heterotrophes Photoauto-, heterotrophes Plants Organisation Multi-cellulaires Source énergetique Photo-autotrophes Protists* Fungi Autres Prokaryotes* Taille 10-3 – 102 m 10-2 -10-1 m 1-5 x 10-6 m Nombre d’espèces >360.000 >1 million (arthropodes) >10 million 9 Master STA2E - M1 IBE Champignons Oomycètes Bactéries Virus Mode de vie Type d’organisme Diversité des interaction plantes – microorganismes selon le type ou mode de vie Epiphytes Endophytes Biotrophes Necrotrophes Hemibiotrophes 10 Master STA2E - M1 IBE Diversité des interaction plantes – microorganismes ou selon l’issue de l’interaction Interaction bénéfique pour la plante Pollinisateurs Mutualisme obligatoire (nodosités (bactérie rhizobium), champignons mycorhiziens) ou facultatif (coopération) (PGPM) Interaction délétère pour la plante (pathogens) Ravageurs Pathogènes (virus, bactéries, champignons, oomycètes) 11 Master STA2E - M1 IBE Diversité des interaction plantes – microorganismes ou selon l’issue de l’interaction Interaction bénéfique pour la plante Pollinisateurs Mutualisme obligatoire (nodosités (bactérie rhizobium), champignons mycorhiziens) ou facultatif (coopération) (PGPM) Interaction délétère pour la plante (pathogens) Ravageurs Pathogènes (virus, bactéries, champignons, oomycètes) 12 Master STA2E - M1 IBE Microorganismes favorisant la croissance des plantes : différentes appellations Il existe différents sous ensembles de microorganismes favorisant la croissance des plantes : PGPM : Plant Growth Promoting Microorganism Appellation PGPR : Plant Growth Promoting Rhizobacteria PGPB : Plant Growth Promoting Bacteria PGPF : Plant Growth Promoting Fungi Habitat Rhizosphère Rhizo ou phylosphère Rhizo ou phylosphère Type d’organisme Bactérie Champignon 13 Master STA2E - M1 IBE Ecologie microbienne Quelques exemples de modes d’action des PGPM 14 Master STA2E - M1 IBE Microorganismes favorisant la croissance des plantes : différents rôle Nutrition • Modification des teneurs en nutriments • Modification de l’allocation des ressources • Rizhoremédiation (métaux lourds, polluants) Morphologie/développement • Modification de l’architecture foliaire et racinaire Défense • Stress biotique • Stress abiotiques 15 Master STA2E - M1 IBE Microorganismes favorisant la croissance des plantes : différents modes d’action 16 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la nutrition des plantes Impact sur les cycle biogéochimiques déjà abordé dans les autres cours 17 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress Importance de l’homéostasie hormonale : Auxine, Cytokinine et Gibbérellines sont des hormones majeures dans le développement des plantes 18 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress Certains microorganismes sont capables de synthétiser des hormones végétale (ou analogues) permettant ainsi de moduler directement la signalisation hormonale 19 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress L’auxine joue un rôle prépondérant dans l ’élongation cellulaire En présence de PGPM, le développement de la plante sera fortement affecté Optimisation de l’exploitation des ressources 20 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress Nécessité de prendre en compte les interactions entre les différentes hormones Interaction forte entre l’auxine et l’éthylène Ethylène impliqué dans la signalisation liée au stress. Provoque une inhibition de la croissance En présence de bactéries synthétisant de l’IAA et capables de produire de l’ACC désaminase l’inhibition de la croissance liée au stress est levée Attention ! Equilibre fin entre tolérance et croissance 21 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress Nécessité de prendre en compte les interactions entre les différentes hormones 22 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress 23 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans la croissance et la tolérance au stress Les mécanismes de tolérance aux stress peuvent être autres que hormonaux Certains PGPM contribuent activement aux processus de rhizoremédiation : - Phytostabilisation - Phytoextraction - Phytovolatilisation/ rhizovolatilisation - Phytodégradation/ rhizodégradation 24 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense Antagonisme • Synthèse de composés (phénotype étendu) • Compétition de niche 25 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense Antagonisme • Synthèse de composés (phénotype étendu) 26 Master STA2E - M1 IBE PGPM : rôle dans les mécanismes de défense Impliqués dans la résistance : - Systémique induite Mécanisme sous contrôle hormonal : Acide jasmonique et salicylique 27 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense ISR peut par exemple être induite par la coronatine (constituant du flagelle des bactéries) PAMP : Pathogen associated molecular pattern (par exemple flg22 un peptide du flagelle de certaines bactéries) MAMP : Microbe associated molecular pattern 28 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense ISR +PGPR ISR peut par exemple être induite par la coronatine (constituant du flagelle des bactéries) PAMP : Pathogen associated molecular pattern (par exemple flg22 un peptide du flagelle de certaines bactéries) Alternaria brassicicola MAMP : Microbe associated molecular pattern 29 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense Certaines rhizobactéries induisent une résistance systémique induite (ISR) ainsi qu’une promotion de la croissance, en l’absence de contact physique avec plantes via les émissions de composés organiques volatils (COV). 30 Master STA2E - M1 IBE PGPM: rôle dans les mécanismes de défense Certaines rhizobactéries induisent une résistance systémique induite (ISR) ainsi qu’une promotion de la croissance, en l’absence de contact physique avec plantes via les émissions de composés organiques volatils (COV). 31 Master STA2E - M1 IBE PGPM: mécanisme actif de recrutement de PGPM par la plante lors d’une attaque Lors d’un stress biotique une modification des exsudats racinaires permet le développement spécifique de PGPM Champignons mycorhiziens Trichoderma PGPM 32 Master STA2E - M1 IBE PGPM: mécanisme actif de recrutement de PGPM par la plante lors d’une attaque Colonisation racinaire et formation de biofilm par le PGPM B. subtilis souche lors d’une attaque de la souche pathogène foliaire (DC3000) ou non-pathogène (NPS3121) 33 Master STA2E - M1 IBE PGPM: mécanisme actif de recrutement de PGPM par la plante lors d’une attaque 34 Master STA2E - M1 IBE PGPM : Exemple de solutions commerciales pour le contrôle biologique Spodoptera exigua nucleopolyhedrovirus VIRUS Bacillus thuringiensis strain HD1 BACTERIUM Beuvaria bassiana Steinernema carpocapsae FUNGUS NEMATODE 35 Master STA2E - M1 IBE PGPM : Exemple de solutions commerciales pour la santé des plantes et le contrôle biologique 36 Master STA2E - M1 IBE PGPM : résumé des modes d’action, cas du stress hydrique Meta-analyse sur 57 études sur les réponses biochimiques et physiologiques des plantes au stress hydrique en présence de PGPM N-Fixation ACC deaminase-producing P-solubilisation Phytohormoneproducing Grande diversité de mécanismes biochimiques, morphologiques er physiologiques ! 37 Master STA2E - M1 IBE PGPM : résumé des modes d’action 38 Master STA2E - M1 IBE Ecologie microbienne Considérations pour la mise en œuvre pratique dans la production végétale 39 Master STA2E - M1 IBE PGPM : résumé des modes d’action Besoin de prendre en compte l’impact des plantes sur les PGPM 40 Master STA2E - M1 IBE Un réseau complexe d’interactions Explique que très souvent l’inoculation de souches de PGPM dans un sol n’arrivent pas à se développer 41 Master STA2E - M1 IBE Une interaction très étroite entre la plante et les PGPM Les plantes peuvent sélectionner des microorganismes ! Lakshmanan, V., Selvaraj, G. and Bais, H.P. (2014). Functional soil microbiome: Belowground solutions to an aboveground problem. Plant Physiol. 166: 689-700. Une interaction très étroite entre la plante et les PGPM Mécanismes souvent dépendants du génome de la plante Forte variabilité au sein de la même espèce Impact de différents génotypes d’Arabidopsis sur la croissance du PGPM Pseudomonas fluorescens dans la rhizosphère 43 Master STA2E - M1 IBE Importance de l’environnement Les PGPM doivent pouvoir se développer dans un environnement abiotique et biotique donné Phyllosphère     Faibles niveaux de nutriments Sec Forte lumière (dont UVs) Environnement variable Rhizosphère     Nutriments abondants Humide Peu ou pas de lumière Environnement stable Différentes espèces végétales recrutent différentes communautés bactériennes L'agent inoculé doit être capable de survivre dans le nouvel environnement biotique Image from Gopal, M., and Gupta, A. (2016) Microbiome selection could spur next-generation plant breeding strategies. Front. Microbiol. 7: 1971. Nécessité de développer de nouvelles stratégies de sélection végétale Reprinted with permission from Bakker, M.G., Manter, D.K., Sheflin, A.M. et al. (2012) Harnessing the rhizosphere microbiome through plant breeding and agricultural management. Plant Soil 360: 1–13. Applicabilité dans un agroécosystème Compatibilité avec le système de culture Autres stratégies de lutte antiparasitaire Engrais (organiques et inorganiques) Rotation des cultures Pratique des producteurs Économie Technologie d'application Enrobage des semences Spray foliaire Arrosage Combiné avec d'autres méthodes Photo: Lise Nistrup Jørgensen PGPM : Autres éléments importants à prendre en compte Nécessité de développer des stratégies de sélection végétale qui optimisent les interactions entre les plantes et les PGPM. La manipulation active des populations microbiennes indigènes peut être un moyen efficace de supprimer les pathogènes végétaux transmis par le sol. Nécessité de restaurer des microbiomes sains qui ont été mutilés par la domestication des plantes Le microbiote racinaire pourrait donc représenter un trait inexploité pour une future sélection végétale grâce à une sélection de génotypes hôtes qui capturent un microbiote optimal depuis un type de sol donné afin de réduire les apports d'engrais synthétiques ou de produits phytosanitaires. Des expériences testant cette idée, malheureusement rares, doivent être menées 47 Master STA2E - M1 IBE