Chapitre 2 - Symbiose - PDF

Chapitre 2 : Associations symbiotiques et absorption d’azote I. Symbiose et fixation d’azote atmospherique a. Les cyanobacteries Cyanobactéries : a l’origine du changement de la nature de l’atmosphere → a la naissance de la Terre l’atmosphere etait depourvue d’O2 On observe des cellules par...

Chapitre 2 : Associations symbiotiques et absorption d’azote I. Symbiose et fixation d’azote atmospherique a. Les cyanobacteries Cyanobactéries : a l’origine du changement de la nature de l’atmosphere → a la naissance de la Terre l’atmosphere etait depourvue d’O2 On observe des cellules particulieres = hétérocystes avec une paroi bcp + epaisse par rapport aux cellules qui les entourent - Anabena : Colonie avec heterocyste (1) detail d’un heterocyste (2) - Nostoc Capable de prelever l’azote de l’air et de le reduire grace a une enzyme = nitrogénase : prend du N2 + ADP + e- pour former de l’ammoniac NH3 N2 + 8 e- + 8 H+ + 12/24 ATP → 2 NH3 + H2 + 12/24 ATP + 12/24 Pi La nitrogenase est une enzyme formee de 2 groupes de proteines : - Dinitrogénase (PI) : tetramere forme de 2 sous-unites  et 2  et qui va utiliser de la ferredoxine reduite pour en faire de la ferredoxine oxyde → chaine d’OR. C’est au niveau de cette proteine que N2 est reduit en NH3 - Dinitrogénase réductase (PII) : assure le transfert des e- liberes par la ferredoxine C’est une enzyme qui ne peut travailler qu’avec un taux d’oxygene reduit (sinon competition avec l’azote moleculaire) ➔ Hétérocystes = cellules PSiques particulieres car il ne doit pas y avoir de production d’oxygene a la fin de la PS (pas de photosysteme II). Impermeable a l’oxygene dissous dans l’eau grace a la paroi epaisse. En contrepartie production d’aa a partir de la fixation du N2. Genes impliques dans la formation des heterocystes = genes nif et fix (codent pour la nitrogenase) : - Nif : code pour la nitrogenase et regulation - Fix : joue un role dans la fixation mais ne controle pas la nitrogenase Respiration importante dans un heterocyste car il fournit de l’ATP et aide a l’abaissement de la concentration en oxygene La formation des heterocystes est dependante des conditions du milieu (carence en azote minerale) Cyano → on peut les trouver seules, dans l’eau, toxiques, associes a des plantes On peut aussi les trouver dans les lichens b. Symbiose actinorhizienne Symbioses sporadiques 8 familles de plantes appartenant a 24 genres sont capables de faire des symbioses actinorhizienne. Il existe donc une specificite a la symbiose, cependant tous les genres d’une meme famille ne sont pas symbiotique ni toutes les especes d’un meme genre. Apparition symbiose +ieurs fois puis a pu etre perdu chez certains genres Souvent des familles tropicales sauf cas des Rosacees, Rhamnacees (neprun, bourdaine) mais surtout Betulacees (bouleau, charme, noisetier, aulne…). L’interaction la + connue sous nos climats est Aulne/Frankia → Frankia est une bacterie filamenteuse actinomycetes, filaments portent vesicules et « sporanges ». Sporanges : structures de resistance et vésicules : structures qui permettent la fixation de N2. ➔ Ces structures, comme les heterocystes chez les cyanobacteries, donnent un environnement favorable a l’action de la nitrogenase. Bcp de lamelles en rapport avec activite nitrogenase. Lamelles formees de composes lipidiques bacteriens (hopanoIdes) → role protection vis-a-vis de l’oxygene. Nodule compose d’unites elementaires appelees lobes nodulaires. Chaque lobe nodulaire = racine modifiee : correspond a l’infection d’une racine secondaire. L’infection est intra ou intercellulaire suivant l’hote Peut induire la formation d’une courbure d’un poil absorbant. Formation d’un meristeme primaire envahi par les bacteries. Lobe nodulaire initie a partir de divisions du pericycle (comme pour une racine 2ndaire normale) en position opposee a un massif de xyleme. Infection intercellulaire idem mais pas de formation pre-nodule → Elle rentre dans les tissus, ou se deplacent entre les cellules. Elle va etre internalisee dans les cellules qui vont se multiplier pour former un nodule Ces nodules utilisent aussi la nitrogenase des actinorhizes pour fixer le N2 → il faut un environnement depourvu d’oxygene. Hemoglobine piege l’O2 On avait vu que la nitrogenase, avec du pouvoir reducteur et de l’ATP, elle est capable de prendre de l’azote moleculaire N2 pour faire du NH3. Il faut qu’il n’y ait pas d’O pour que le pouvoir reducteur soit utilise principalement pour la reduction de l’azote et pas celle de l’O. Bilan ➔ On a une sorte de nodule qui est une sorte de manchon autour des tissus conducteurs et on retrouve la nitrogenase et des strategies de protection pour avoir moins d’oxygene dedans. c. Symbiose Rhizobium/Legumineuse On a aussi des nodules qui ressemblent aux nodules actinorhiziens avec une reduction. Mais on a une structure histologique differente : processus de construction du nodule est different. ❖ Installation de la symbiose : mécanisme de reconnaissance Bacteries qui appartiennent au genre rhizobium mais n’appartiennent pas a la meme espece (ex : R. pisi, R.phaseolus, R.lens, R.leguminoseum) Mise en evidence de phenomenes de specificite et donc de reconnaissance : - On a des lectines produites par la plante et vont induire une attraction des bacteries dans le mucilage qui entoure la rhizosphère (= racine)  - On a des flavonoïdes excretes par les poils absorbants : ils vont induire la synthese des facteurs NOD → induisent l’expression de genes chez la bacterie - Une fois la bacterie active, pour se fixer elle va devoir reconnaitre des sites de fixation sur la membrane du poil absorbant grace a des Exopolysaccharides Pour synthetiser ces facteurs NOD, bcp de genes vont etre induits. Les facteurs NOD, chez les bacteries vont etre differents → induisent la nodulation : une expression particuliere des genes de la plante - Genes nod bacteriens codent pour des enzymes qui permettent la construction du facteur NOD Ce facteur NOD induit la nodulation et va modifier l’expression de genes de la plante → gènes ENOD : impliques specifiquement dans la formation. Flavonoïdes vont former un complexe avec un FdT = gène NodD qui va se fixer sur le promoteur des genes nod Le flavonoïde facilite la fixation du FdT sur les genes nod Les genes nod D regulent l’expression des autres genes nod et codent pour des FdT : ces FdT vont permettre d’augmenter la transcription des autres genes nod mais pour bien se fixer sur le promoteur il faut rajouter un flavonoïde particulier. Les autres genes nod vont coder pour des enzymes qui permettent la construction du facteur NOD = molecule compliquee, fait d’elements de base = unités de chitine et un certain nombre de radicaux spécifiques. Partie commune + ou - longue : 3 a 6 unites. Lateralement, les radicaux vont etre specifiques. La structure du facteur NOD va determiner le spectre d’interaction avec des bacteries. Cote plante, le facteur NOD doit etre reconnu par des recepteurs particuliers. 1er evenement de l’interaction entre le facteur Nod et le poil absorbant = décharges de calcium qui se font autour et a l’interieur du noyau Ce sont elles qui vont induire l’expression de genes particuliers du cote bacterien = genes ENOD Comment se fait cette décharge de calcium : Grace au changement de conformation d’une molecule = Calmoduline, qui va porter du calcium, va le liberer et ce calcium va interagir avec des proteines MAPkinase et vont induire une cascade de phosphorylation A retenir : cote oscillatoire du calcium fait qu’il va se fixer soit sur les MAPkinase, soit sur la calmoduline → initie une cascade de phosphorylation  ❖ Infection et développement du nodule Le point d’interaction entre la bacterie et la plante = poil absorbant. Il se deforme et prend une forme en crosse : il enferme les bacteries → une fois dans les petites niches elles vont se developper puis former une galerie = cordon d’infection : Elles font une invagination de la membrane (la retourne) A un moment donne les bacteries vont progresser entre les cellules ce qui va induire une dedifferenciation et la formation d’un primordium nodulaire. Le cordon d’infection va arriver au contact de ce meristeme nodulaire qui progresse Le méristème nodulaire va emerger de la racine principale avec une structuration : toujours sur le front mais avec une differentiation / vascularisation du nodule : va le connecter au tissu vasculaire de la racine. A un moment donne, le cordon d’infection va se lyser et les bacteries vont etre internalisees dans le noyau (comme dans le cas des nodules actinorhiziens) Modification du cytosquelette pour que le poil absorbant soit recourbe Si on a la formation d’un cordon : 1ers elements de symbiose : boisage/composes parietaux apposes par les bacteries mais aussi par la plante Systeme ou on a la formation d’une infection sans poil absorbant recourbe et sans facteur nod → grace aux cytokinines (impliquees dans la division cellulaire) 25% de Rhizobium ne forment pas de facteurs Nod Il faut que le dvppt des meristemes se fasse en face d’un pôle ligneux pour qu’il y ait des connexions → du a l’emission d’ethylene au niv du phloeme pour inhiber la division cellulaire au niveau du phloeme Repartition d’auxine et d’ethylene se fait de maniere qu’on ait des nodules qui apparaissent en face des poles ligneux. Ce cordon se casse et les bacteries vont subir un mecanisme d’endocytose → petites vesicules = symbiosomes qui pourront contenir 1 ou 2 bacteries ➔ Modification de la bacterie a l’interieur qui va devenir un bactéroïde : + gros que les bacteries Cytometrie en flux : mesurer la fluorescence Colorant permet de voir le niveau de ploïdie → fluo + importante, elles se sont polyploïdisees → endoreplication = elles ont replique leur genome sans se diviser (1C → 24C) → elles ont donc changer de formes et se sont hypertrophiees. Symbiosomes : vont fonctionner si on a peu d’oxygene car ses bacteries vont pouvoir exprimer la nitrogenase. Dans ces cellules ont va avoir des genes particuliers = ENOD qui vont fabriquer la leghémoglobine (atome de mg au lieu d’un Fe) On va avoir du N2 qui va rentrer, du NH3 produit Il y a des nodulines tardives qui codent pour des enzymes permettant l’assimilation du NH3 → nodulines de fonctionnement Il exige un nodule acheve + la presence de nodulines tardives et d’autre part la nitrogenase produite par le bacteroïde ❖ Fonctionnement du nodule Nodules déterminés : vont atteindre une taille et ne grandiront plus car ils n’auront plus de meristeme. Nodules indéterminés pourront pousser au fil du temps car ils vont garder un meristeme apical Dans les 2 cas ils sont relies au systeme vasculaire de la racine Indéterminés vont presenter des zonations : - Zone méristématique - Zone de colonisation par les bactéries (cordons d’infection, vesicules d’endocytose, differenciation en bacteroïdes) le nodule ne fonctionnera pas encore comme fixateur de l’azote moleculaire - Zone de fixation - Zone de senescence Dans le cas d’un nodule déterminé meme zonation mais pas lineaire → radiale avec zone la + jeune (zone du cordon), zone de fixation + centrale et au centre la zone de senescence  ❖ Régulation de la nodulation Autorégulation qui depend des besoins de la plante. - Elle fait intervenir des signaux entre la racine et la tige et ce sont eux qui vont ajuster le nombre de nodules en fonction de la demande Expérience de greffage : chez le mutant on a une hypernodulation, meme si la partie racinaire est sauvage → il existe donc un signal inhibiteur de nodulation qui vient de la tige et qui est perdu chez le mutant. On a des messagers entre la racine et la tige qui stimulent ou inhibent la nodulation Mesure de la taille des nodules → apport de sucres par la plante. On a moins de nodules formes quand ils sont inefficaces et seront moins gros car la plante va donner moins de sucres que s’ils donnaient qqc en contrepartie ➔ Donc 2nd point de regulation = echange de nutriment. La plante va reguler son approvisionnement en sucre du nodule en fonction de son efficacite a lui fournir de l’azote. Conclusion : diversité et évolution Nodulation au niveau des tiges chez certaines Fabacees arbustives : ex : Sesbania rostrata Part de petites racines qui font une dechirure de l’epiderme : rhizobium qui sont dans l’air vont venir se fixer. Différence entre ces types nodulaires : - Zone infectee centrale et vascularisation du nodule peripherique Toutes les Angiospermes qui ont acquis l’aptitude a former des nodules fixateurs d’azote sont reunies dans le clade des Rosid I On peut penser qu’il y a une origine phylogenetique identique a l’apparition de ce mecanisme de nodulation. On a une certaine souplesse et conservation des mecanismes de signalisation/reconnaissance a l’interieur de l’ensemble de ces plantes dans l’information des nodules. L’introduction d’un gene d’hemoglobine de legumineuse (promoteur +GUS) est exprimee dans un nodule actinorhizien. Il y a donc une forte conservation des mecanismes de regulation des genes cles dans le processus de fonctionnement d’un nodule. II. Symbiose et fixation d’azote mineral et organique : les mycorhizes Mycorhizes = organes mixtes formes par des champignons et des racines. Mycorhization tres importante car 90% des plantes a fleurs sont mycorhizees. Certaines pteridophytes et bryophytes aussi. 3 types de mycorhizes : - Ectomycorhizes - Ectendomycorhizes - Endomycorhizes (arbusculaires ou a pelotons (Orchidaceae, Ericacaea)  Cf tableau : a refaire a. Ectomycorhizes Racines 2ndaires empactees par un reseau de filaments qui va former une sorte de gaine autour de la racine → racine va s’epaissir au niv de son cylindre central Ces filaments vont se rassembler, formant une sorte de thalle ou on va avoir une sporulation avec des carpophores qui se forment. Au niv des carpophores on va avoir une RS avec des pores sexuees → on redonnera d’autres filaments. Il doit y avoir une reconnaissance entre la plante mycorhizee et le mycorhize Du cote de l’arbre ou de la plante : Reconnaissance avec des exsudats du cote des racines de l’arbre (ou plante) → contiennent des flavonoïdes et hormones de type cytokinine (zéatine) Ces molecules servent a la ramification des filaments du champignon et induisent un chimiotactisme = croissance dirigee p/r a l’emission des signaux chimiques. Du cote du champignon : Champignon excrete des molecules : auxine et des hyphaphorines (= alcaloïdes) qui induisent la formation de poils absorbants et on aura aussi des proteines qui vont permettre une adhesion du filament sur la racine secondaire (adhesine, hydrophobine) Cette interaction va conduire a une colonisation et a la formation d’un manteau externe et interne entre les cellules du cortex = réseau de Hartig. Mycorhization sert a ameliorer la nutrition minerale : elle permet de multiplier la surface d’echange entre le milieu et la plante et on a aussi une sorte de symbiose au niv d’une partie de l’assimilation Toute cette nutrition minerale amelioree se fait en contrepartie de sucres qu’elle alloue au champignon et on a une fixation de phosphate qui se fait grace a ces mycorhizes b. Endomycorhizes Traversent completement une racine dans la matrice extracellulaire mais parfois ils vont creer a l’interieur des cellules des arbuscules Formation de l’arbuscule : au depart, lyse de la paroi qui va permettre au champignon de rentrer dans la cellule : il va repousser la mp de la cellule et se dvpper dans ces digitations qu’il forme Le champignon est a l’interieur de la cellule mais reste a l’exterieur du cytosol. Il va delimiter une zone de contact entre la mb du champignon et la mb de la cellule ou on va avoir tous les echanges.  c. Les interactions nutritionnelles Les mycorhizes permettent de multiplier la surface de contact entre le sol et la plante. Ces structures vont aider a l’absorption et l’assimilation de l’azote et du phosphate Champignons contiennent des protéases qui permettent de mineraliser l’azote organique contenu dans les proteines. Les champignons sont aussi capables d’hydrolyser les phosphates en excretant des acides organiques ou des phosphatases. Sur toute cette mb on va avoir bcp d’ATPase ce qui montre qu’on a bcp d’echanges de flux ioniques et de molecules. Dans cette interface on trouve des sucres comme des hémicelluloses et on trouve des protéines Pr (de defenses, emises par la plante) → systeme de symbiose dans lequel la plante emet des proteines de defense pour controler le dvppt du champignon ➔ Limite entre parasitisme et symbiose On aura aussi soit a l’exterieur soit a l’interieur des vesicules = propagules qui vont etre des structures de reserves cellulaires et nutritives que va stocker le champignon → Si le systeme meurt les propagules pourront rester dans un etat de dormance puis regermer dans un milieu + favorable pour donner du mycelium Ces mycorhizes vont aussi permettre l’absorption de phosphate inorganique par l’excretion d’acide organique qui permettront de solubiliser le Pi. Capable d’excreter des phosphatases qui peuvent permettre de liberer du Pi a partir du phosphate organique. ➔ Donc : permettent l’absorption d’azote (soit sous forme minerale ou organique) et de phosphate. ➔ Mycorhizes sont souvent de tres bonnes structures pour absorber des choses en faible concentration tels que les metaux (joue un role de cofacteur dans les reactions enzymatiques)  d. Evolution des symbioses et des voies de signalisation : - Endomycorhizes apparues tres tot, - Ectomycorhizes apparues + recemment : en meme temps que les Fagales et les Pinacees Plante a nodules apparues encore + tard et les endosymbiose bacteriennes apparues encore apres. Succession de symbioses avec comme point de depart les symbioses avec endomycorhizes Il existe des voies moleculaires qui se ressemblent mais dans tous les cas on a un éliciteur qui est souvent un flavonoïde, puis soit une bacterie, soit un champignon qui conduisent a des interactions trophiques et certaines plantes sont capables de faire des symbioses avec des endomycorhizes et avec des rhizobiums (ex : le pois) Les voies de signalisation sont proches et le fait d’avoir perdu certains elements dans une voie a permis de la perdre dans une autre voie Confirme par des genes communs qui codent pour des nodulines dans le cas d’une symbiose et qui sont aussi actives dans le cas d’une mycorhization. Comme la voie preexistante etait celle mycorhizienne, on peut penser qu’au cours de l’evolution : la symbiose avec rhizobium a exploite une partie du materiel genetique deja implique dans la symbiose avec des mycorhizes.