Interactions plantes / microorganismes. à travers quelques exemples
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- Heloïse Morin
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1 1 Interactions plantes / microorganismes à travers quelques exemples Université de Bourgogne, UFR SVTE Claire OLIVE PAF - 12 janvier 2017 Schématisation de l interaction entre une plante et des bactéries pathogènes et symbiotiques (D après Grant et al., 2006).
2 Introduction : les notions de plante et micro-organisme Lignée verte Rhodobiontes (Algues rouges) Chlorobiontes Ulvophytes (Algues vertes) Charophytes 2 Embryophytes (Archégoniates) Lignée brune Haptophytes (Coccolithophoridées) Diatomées Straménopiles Phéophycées (Algues brunes) Dinophytes Oomycètes (Mildiou de la vigne) Alvéobiontes Ciliés (Paramécies) Apicomplexés Euglénobiontes Opistochontes Mycétozoaires (Myxomycètes) Eumycètes Métazoaires Organismes photosynthétiques Champignons sens large Phylogénie simplifiée des Eucaryotes d après Lecointre et Le Guyader (2006)
3 Introduction : les notions de plante et micro-organisme Notre perception du monde microbien Temps (années) Vie microbienne Phylogénie moléculaire et classification naturelle Microbiologie environnementale A. van Leeuwenhoek ( ) E. Zuckerkand & L. Pauling (1965) Woese et al. (1977, 1990)
4 Techniques actuelles d écologie moléculaire : comment connaître la diversité microbienne écosystémique? Introduction les notions de plante et micro-organisme L écologie moléculaire, entre biais et puissance 4
5 Introduction les notions de plante et micro-organisme 5 * * * * * Acquisition pluricellularité
6 Introduction - Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 6 Photographie de trichomes à la surface foliaire de tomate observée au microscope électronique à balayage (d après Ojanen-Reuhs et al., 1997). 1 mm Colonisation d une feuille de tomate par X. axonopodis pv. vesicatoria. La flèche indique la localisation préférentielle des massifs bactériens au niveau des trichomes.
7 Introduction - Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 7 Micrographie (microscope confocal à fluorescence) de la flore microbienne naturelle de la phyllosphère de Haricot (Phaseolus vulgaris). 20 mm Marquage fluorescent par Live BacLight, qui confère une fluorescence verte aux bactéries Gram-négatives et une florescence rouge aux bactéries Gram-positives.
8 Introduction Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la phyllosphère 8 Composition des communautés bactériennes identifiées dans la phyllosphère du seigle (Lolium perenne) et de l olivier (Olea europea) (d après Hirano et Upper, 2000).
9 Introduction Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 9 Observation microscopique de bactéries marquées au DS-red (fluorescence rouge) adhérant à la surface racinaire (apex).
10 Introduction Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 10 Vue d ensemble des interactions plantes-micro-organismes dans la rhizosphère et le sol entourant les racines. V.Coats et M.Rumpho, Front. Microbiol., 23 July 2014
11 Introduction Différents lieux d interaction Les interactions au niveau de la rhizosphère 11 Effets trophiques + + Effets sur la morphogenèse - Effets des PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) sur l architecture du système racinaire et le fonctionnement racinaire. Frontiers in Plant Science, September 2013, Volume 4
12 Gain pour l espèce B Introduction Différents types d interactions Les différents types d interactions biologiques 12 Gain pour l espèce A Positif Neutre Négatif Positif Mutualisme Symbiose Commensalisme Prédation Parasitisme Neutre Commensalisme Neutralisme Amensalisme Négatif Prédation Parasitisme Amensalisme Antagonisme (dont compétition) Les gains correspondent à des variations de valeur sélective.
13 Introduction Différents types d interactions Les interactions symbiotiques 13 Les différents types de contacts entre symbiontes. D après MA Selosse (2000).
14 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Symbiose Rhizobium / Fabacées 14 Nodosités sur des racines de Medicago truncatula
15 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Symbiose Rhizobium / Fabacées 15 Electronographie (MET) d une coupe de nodosité de racine de Glycine, avec bactéroïdes de Bradyrhizobium japonicum.
16 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Nodosités indéterminée ou déterminée 16 Nodosité indéterminée en coupe, sur Médicago (gauche) et schéma de zonation (droite) D après Rodriguez-Haas et al., Metallomics, 2013,5,
17 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Importance biologique 17 de la fixation de N 2 Cultures d A. thaliana et épis de Maïs sauvage récoltés avec (gauche) ou sans (droite) intrants nitratés
18 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 18 Nutrition azotée des plantes Sources minérales d azote : N 2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante ) NH 3 ammoniaque NH 4 + ammonium N 2 O oxyde nitreux NO oxyde nitrique Faibles quantités NO 2 - nitrite NO 2 dioxyde d azote NO 3 - nitrate
19 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 19 Nutrition azotée des plantes Sources minérales d azote : N 2 : diazote atmosphérique (forme la plus abondante ) NH 3 ammoniaque NH 4 + ammonium N 2 O oxyde nitreux NO oxyde nitrique Faibles quantités NO 2 - nitrite NO 2 dioxyde d azote NO 3 - nitrate Les plantes assimilent l azote sous les formes NH 4 + et NO 3 - Absorption ( uptake ) du nitrate (NO 3 -) : nitrate transporter (NRT) Conversion nitrate en nitrite (NO 2 -) : Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol Conversion nitrite en ammonium (NH 4 +) : Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplaste
20 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Nutrition azotée des plantes 20 Les plantes assimilent l azote sous les formes NH 4 + et NO 3 - Absorption ( uptake ) du nitrate (NO 3 -) : nitrate transporter (NRT) Conversion nitrate en nitrite (NO 2 -) : Nitrate Reductase (NR) dans le cytosol Conversion nitrite en ammonium (NH 4 +) : Nitrite reductase (NiR), dans le chloroplaste Dans les nodules : Fixation du N2 atmosphérique par la nitrogénase
21 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 La nitrogénase 21 N H e ATP 2 NH 3 + H ADP + 16 Pi Modélisation moléculaire (droite) et schéma fonctionnel (gauche)
22 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Une symbiose trophique 22 Schéma de la coopération entre cellule hôte et bactéroïde pour la fixation du diazote (Lb : leghémoglobine). D après MA Selosse (2000).
23 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 23 Infection des poils absorbants par Rhizobium A = inoculé («hair curling») B = non inoculé
24 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose mm 20 mm 100 mm Micrographies b, c, d : Détection histochimique de la b-galactosidase de Rhizobium leguminosarum exprimant lacz, sur racines de Pisum sativum. Oldroyd & Downie (2004). Calcium kinases and nodulation signaling in legumes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 5,
25 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 25 Coupe de racine d Alphalpha : jeune nodule et racine latérale émergente
26 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 26 Mise en place de la symbiose Racine de Medicago truncatula : 4 jours post-inoculation
27 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 27 D après M.A. Selosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif»
28 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 28 Dialogue moléculaire entre bactérie et légumineuse lors de la mise en place de la nodosité. D après M.A. Selosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif»
29 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 29 Recherche des acteurs de la voie de signalisation Nod par l approche génétique chez Medicago truncatula. D après F.Debelle et al., M/S n 2, vol. 23, février 2007
30 D après F.Debelle et al., M/S n 2, vol. 23, février 2007 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 30 Modèle hypothétique des voies de signalisation symbiotiques Nod et Myc chez M. truncatula. NFP : recepteur kinase a domaines LysM ; DMI1 : canal cationique presomptif ; DMI2 : recepteur kinase a domaines LRR ; DMI3 : proteine kinase calcium- et calmodulinedependante ; NSP1, NSP2 : facteurs de transcription.
31 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 31 Signalisation en aval des facteurs Nod dans une cellule épidermique.
32 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Mise en place de la symbiose 32 Modèle moléculaire de formation du nodule au niveau du cortex.
33 Partie 1 : Les nodosités à Rhizobium, fixatrices de N 2 Importance dans le cycle du N 33 Bactéries dénitrifiantes H 2 + 2NO 3 - N 2 + 6H 2 O Bactéries nitriques NO ½ O 2 NO 3 - Bactéries nitreuses NH /2 O 2 NO H 2 O + 2H +
34 Partie 2 : les mycorhizes Diversité des mycorhizes 34 Principaux types d'associations symbiotiques entre des champignons (en bleu) du sol et des racines de végétaux (A) racine sans mycorhize, (B) endomycorhizes à vésicules et à arbuscules (MA) (C) endomycorhizes à pelotons, (D) ectendomycorhizes, (E) ectomycorhizes chez les Angiospermes, (F) ectomycorhizes chez les Gymnospermes (Duhoux & Nicole, 2004).
35 Partie 1 : les mycorhizes 35 Des échanges trophiques
36 Partie 2 : les mycorhizes Ectomycorhizes (ECM) 36
37 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 37 Gigaspora margarita (Gloméromycète) sur des racines de lotier (Lotus japonicus, Fabacées)
38 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 38 La zone arbusculaire PAS = PeriArbuscular Space PAM = PeriArbuscular Membrane Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, (October 2008)
39 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 39 Prélèvement du phosphate (Pi) par des racines non mycorhizées (a) ou mycorhizées (b) Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, (October 2008)
40 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 40 Flux métaboliques dans l AM Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, (October 2008)
41 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires 41 arbusculaires(am) Attribution des ressources de carbone de la plante à ses différents symbiotes en fonction de leur niveau de coopération. Si la valeur indiquée par le trait dans le rectangle gris est au-dessus de zéro, cela signifie que davantage de carbone a été attribué à l'espèce du haut. Kiers et al Science
42 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 42 Signalisation endosymbiotique précoce LCOs = lipochitooligosaccharides EP Journet LIPM Toulouse
43 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 43 Etapes du développement de l AM PPA = prepenetration apparatus Myc = mycorrhiza factors
44 Partie 2 : les mycorhizes Endomycorhizes vésiculaires arbusculaires(am) 44 Nodulation et mycorhization : des acteurs communs de la voie de signalisation Martin Parniske Nature Reviews Microbiology 6, (October 2008)
45 Partie 2 : les mycorhizes Mycorhizes et évolution des plantes terrestres 45
46 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes La théorie endosymbiotique 46 Konstantin Mereschkowsky, 1905 Lynn Margulis, 1967 Mitochondries et chloroplastes dérivent des mitochondries et chloroplastes préexistants (scissiparité) Organites entourés par une double membrane, nature de la membrane interne Ribosomes de type bactérien synthèse de leurs protéines Génomes (souvent 1 molécule d ADN circulaire) avec des gènes de type procaryote
47 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes La théorie endosymbiotique 47 Arbre obtenu à partir de 21 séquences complètes d'arn ribosomial 16S et 18S de bactéries, d'eucaryotes, et d organites semi-autonomes. (Pace, Olsen et Woese, 1986)
48 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes et l origine de la cellule eucaryote 48 Deux hypothèses pour l origine de la cellule eucaryote A- Scénario en deux étapes : - Création par fusion bactérie/archée d une cellule eucaryote amitochondriale puis - endosymbioses avec une a-protéobactérie. Embley, T. M. & Martin. W. Eukaryotic evolution, changes and challenges. Nature 440, (2006). B- Création simultanée du noyau eucaryote et de la mitochondrie. Le partenaire bactérien est toujours une a- protéobactérie. Le partenaire archée varie suivant les théories (ici méthanogène).
49 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Diversité actuelle des plastes 49 Diversité ultrastructurale des plastes de quelques lignées d Eucaryotes D après Robert et Roland (1998) modifié par Jean.
50 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Diversité actuelle des plastes 50 Les chloroplastes chez les Eucaryotes. Les groupes possédant des chloroplastes sont encadrés en vert. D après Koonin, 2010.
51 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Une endosymbiose primaire à l origine de la lignée verte 51
52 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Des endosymbioses secondaires 52 Schéma d un Cryptophyte Les Cryptophytes sont de petites algues unicellulaires. Elles contiennent quatre génomes distincts situés respectivement dans leur noyau, dans les mitochondries, dans le nucléomorphe (noyau vestigial) et dans le plaste. D après MA Selosse (2000).
53 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Des endosymbioses secondaires 53 Arbre phylogénétique des Eucaryotes, construit à partir des séquences des gènes nucléaires codant les ARNr des petites sousunités ribosomiques NM = codage par ADN du nucléomorphe NU = codage par ADN du noyau
54 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Des endosymbioses secondaires 54 Relations de parenté entre chloroplastes et Cyanobactéries déduites de l'étude de 6 protéines (Reyes Prieto et al., 2007)
55 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Modèle de l origine des plastes de différents taxons 55 Keeling, 2013
56 Partie 3 : Les endosymbioses à l origine des mitochondries et des plastes Modèle de l origine des plastes de différents taxons 56 Keeling, 2013
57 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Diversité des MO pathogènes 57 Mildiou (Plasmopara viticola, Oomycètes) L érinose (Colomerus vitis, Acarien) Oïdium (Erysiphe necator, Ascomycètes) La pourriture grise (Botrytis cinerea, Ascomycètes) Maladie de Pierce (Xylella fastidiosa, Protéobactérie)
58 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Diversité des MO pathogènes 58 Mildiou (Plasmopara viticola, Oomycètes) 30 mm L érinose (Colomerus vitis, Acarien) Oïdium (Erysiphe necator, Ascomycètes) La pourriture grise (Botrytis cinerea, Ascomycètes) Maladie de Pierce (Xylella fastidiosa, Protéobactérie)
59 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Défense des plantes : immunité inductible MTI = PTI 59 Le système immunitaire des plantes en interaction avec des microbes. MAMP = PAMP = Microbe (Pathogene)-Associated Molecular Pattern D après Heribert Hirt, 2012
60 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d infection et résistance ETI 60 ETI Réponse HR Le système de sécrétion de type III est utilisé par des bactéries pathogènes des plantes et des animaux (Pseudomonas, Yersinia, Salmonella, Shigella ) pour injecter des protéines (effecteurs ; ici protéines Avr) dans le cytoplasme de l hôte. Hrp = Hypersensitive Response and Pathogenicity ; Avr = Avirulence ; ETI Effector Triggered Immunity ; HR = Hypersentive Response
61 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d infection et résistance ETI 61 ETI Structure du système de sécrétion de type III (SST3) des bactéries phytopathogènes (D après Büttner & He, 2009).
62 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Modèle «gène pour gène» de l ETI 62 ETI Modèle génétique de la relation «gène pour gène». La résistance de la plante, souvent associé à la HR, ne s établit que si la plante possède un gène R correspondant à un gène Avr de l agent pathogène. Dans tous les autres cas, la maladie se met en place (Flor, 1971)
63 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Mécanisme d infection 63 Les mêmes gènes bactériens peuvent être impliqués dans la pathogénicité sur les plantes et sur les animaux.
64 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Une course à l armement 64 Infection par le pathogène du maïs Cochliobolus Production d une toxine inhibant la transcription des gènes de défense. Les plantes résistantes produisent une réductase de l HC-toxine.
65 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Une course à l armement 65 Le modèle «zigzag» illustre l intensité des réponses des défenses végétales mises en place au cours du dialogue entre la plante et la bactérie (D après Jones & Dangl, 2006).
66 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Importance économique 66 Production réelle et pertes estimatives de huit récoltes de 1988 à 1990, par parasite et par région (en billions$ US) E. Oerke et al., Crop production and crop protection : Estimated losses in major food and cash crops»
67 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes 67 Agrobacterium tumefasciens Galle du collet sur racine de Carya illinoensis (Pacanier).
68 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes 68 Agrobacterium tumefasciens Electronographie d Agrobacterium tumefaciens sur racine de carotte (gauche) et cycle de développement (droite).
69 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Agrobacterium tumefasciens 69 Schéma général de l infection d une cellule hôte par A.tumefasciens.
70 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Agrobacterium tumefasciens 70 Technique de transgénèse par utilisation d A.tumefasciens.
71 Nb de germinations Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 71 Prunus serotina À 4 mois A 6 mois Compétition intraspécifique?...
72 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 72 Influence microbienne
73 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 73 Comita et al. (2010) Sur plantules de 180 espèces d arbres des forêts du Panama
74 Partie 4 : les interactions plantes-pathogènes Pathogènes et densité dépendance-négative 74 Bagchi et al. (2010), sur Pleradenophora longicuspis (Euphorbiacée) en ombrière (a) ou in situ (b), au Bélize La densité-dépendance négative, une cause microbienne potentielle pour : - la rareté de certaines espèces - l hyper-diversité végétale tropicale
75 CONCLUSION Les applications agronomiques 75 Interactions entre plantes et les bactéries coopératives (ici PGPR) dans la rhizosphère robiennelyon.fr/spip.ph p?rubrique29&debut_b iblio=50&lang=fr
76 CONCLUSION 76 Des réseaux d organismes Etude de 6400 m 2 de forêt Corse (Fango) Richard et al., New Phytologist 166: arbousiers 105 chênes verts mycorhizes typées
77 CONCLUSION 77 Des réseaux d organismes Plus de 500 espèces de champignons mycorhiziens : la diversité n est pas ce qu on voit et la symbiose mycorhizienne est un réseau MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011
78 CONCLUSION Des réseaux d organismes 78 Neottia nidus-avis associée avec des Sebacina elles-mêmes associées aux arbres voisins
79 CONCLUSION Des réseaux d organismes 79 MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011
80 CONCLUSION Des réseaux d organismes ayant permis une évolution vers l hétérotrophie ou la mixotrophie 80 Une évolution originale, grâce aux réseaux mycorhiziens chez les Orchidées, mais aussi des Ericacées, des Gentianacées et des Polygonacées (tropicales), etc. MA Selosse, conférence AFPSVT, 8 février 2011
81 Merci de votre attention! 81
82 ANNEXE Symbiose fougère aquatique / cyanobactéries 82 Association symbiotique entre Azolla et Anabaena.
83 ANNEXE Symbiose actinorhizienne Frankia / Alnus 83 Section d un nodule d Aulne
84 ANNEXE Mycorhizes orchidoïdes 84 Peloton jeune entourant un reste de peloton lysé (stade 4) Peloton âgé, lysé (stade 2) Peloton très âgé, très lysé (stade 3) Peloton jeune, hyphes bien visibles (stade 1) CT de racine d Orchidée mycorhizée
85 ANNEXE Signalisation Nod (nodulation) 85 Front. Plant Sci., 22 December
86 ANNEXE Structure de la nitrogénase 86
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