Symbioses Plantes - Microorganismes 1. Diversité des interactions Plantes- Microorganismes 2. Les interactions Legumineuses-Rhizobia 3. Les interactions Plantes-Mycorrhiza Thierry Heulin (DR, CNRS) / Cécile Vriet - 21 Février 2013
Diversité des interactions Plantes-Microorganismes
Arbre phylogénétique
Arbre phylogénétique (incl. Rhizbacteria) Ciccarelli et al., Science (2006), vol 311, 1283-
Concept de mutualisme et de symbiose Le mutualisme est une interaction facultative positive entre deux organismes. Ex: les fleurs et les insectes pollinisateurs La symbiose est un cas particulier de mutualisme: les organismes «vivent ensemble», en une association réciproquement bénéfique. La symbiose accroît la valeur sélective (contribution à la génération suivante) des deux organismes. Au cours de l évolution, on peut passer facilement du mutualisme à la symbiose.
Les differents types de symbioses D après : Marc-Henri Sélosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6).
Exemples de symbioses www.biologie.ens.fr/bioemco/
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Exemples de symbioses SYMBIOSE CYANOBACTERIES / CHAMPIGNON : LES LICHENS
Exemples de symbioses SYMBIOSE CYANOBACTERIES / FOUGERE : AZOLLA/ANABAENA
Exemples de symbioses SYMBIOSE CYANOBACTERIES / CYCADES
Exemples de symbioses www.biologie.ens.fr/bioemco/
Exemples de symbioses SYMBIOSE ACTINORHIZIENNE FRANKIA / ALNUS
Exemples de symbioses
Exemples de symbioses 90 % des espèces végétales sont mycorhizées www.biologie.ens.fr/bioemco/
Exemples de symbioses D après : Marc-Henri Sélosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6).
Exemples de symbioses SYMBIOSE RHIZOBIUM / LEGUMINEUSES
Endosymbioses racinaires Endomycorhizienne Fixatrice d azote - nutrition minérale (Pi ) - très ancienne (400.106 a.), 80 % des plantes terrestres - champignons (Glomales) - faible spécificité d hôte - pas d organogenèse - nutrition azotée - plus récente (60.106 a.), légumineuses - bactéries (Rhizobiacées) - forte spécificité d hôte - organogenèse (nodules)
Symbiose Legumineuses- Rhizobia (fixatrice d azote)
Symbiose fixatrice d azote Rhizobium-legume symbiosis: N 2 fixation happens in root nodules Complex developmental process that requires genes of both bacteria and plants It is species-specific Bacterium and plant respond to signals from each other
Cycle de l azote fixation non biologique (80.10 6 t/an) N N fixation biologique (100.10 6 t/an) végétaux dénitrification R-NH2 ammonification ammonification nitratation NO 3 - NO 2 - nitrification animaux NH 4 + nitrosation air sol
Fixation de l azote atmosphérique La nitrogénase : N 2 + 8 H + 8 e- + 16 ATP 2 NH 3 + H 2 + 16 ADP + 16 Pi Réaction fortement consommatrice d ATP La nitrogénase est inactivée par l oxygène > fixation de N 2 à lieu dans des cellules spécialisées dans lesquelles la nitrogénase est présente et la concentration en oxygène est faible.
Fixation de l azote atmosphérique La nitrogenase est presente seulement chez quelques bacteries: Les cyanobacteries (ex: anabaena; fixation de N 2 au sein d heterocystes) Les bacteries du sol fixatrice d azote - en relation symbiotique avec les plantes de la familles des legumineuses/fabacées (ex: rhizobium, fixation de N 2 dans des nodules)
Symbiose fixatrice d azote Azote: majeur facteur limitant de la croissance et du rendement des plantes cultivées Les légumineuses/fabacées: Troisième plus grande famille chez les angiospermes Grande importance agronomique et alimentaire/économique du fait de leur capacité a former des symbioses avec les rhizobia utilisés en crop rotation, comme fertilisant vert (riche en ammonia) riche en protéines (graines, feuilles); importante source de protéines végétales pour l alimentation animale et humaine Exemple: Luzerne, trèfle, lotier, lentille, pois, soja, haricot, lupin
Symbiose fixatrice d azote 35% des protéines consommées dans le monde par l homme + sources de lipides et de métabolites 2 aires (isoflavonoïdes)
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote Oldroyd & Downie (2004). Calcium kinases and nodulation signalling in legumes. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 5, 566-576.
Symbiose fixatrice d azote Infection des poils absorbants par Rhizobium Inoculé Hac = hair curling = courbure de poil Non inoculé
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote Jeune nodule et racine latérale émergente (3 dpi)
Symbiose fixatrice d azote Medicago truncatula WT ; 4 j post-inoc
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote Nodule indeterminé vs nodule determiné
Symbiose fixatrice d azote Coordinated root development during nodulation
Symbiose fixatrice d azote Nod factor signaling in the epidermis
Symbiose fixatrice d azote Nodule meristem formation in the cortex
Symbiose fixatrice d azote http://www.reading.ac.uk/acadepts/sb/rhizobium/projects.htm
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
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Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose Plantes-Mycorrhiza
Symbiose AM Root colonization by AM fungi In most legumes In carrot Trends in Plant Science Volume 13, Issue 9, September 2008, Pages 492-498
Symbiose AM Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)
Symbiose AM Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)
Symbiose AM Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)
Symbiose AM Phosphate uptake pathways
Symbiose AM Symbioses bactérienne et mycorhizienne: quels sont les points communs? - Les microsymbiontes doivent pénétrer la racine à travers l épiderme et le cortex sans susciter des réactions de défense chez la plante - mutations de la plante hôte qui affectent les deux symbioses (Nod- / Myc-) - similarités structurales et biochimiques des interfaces endocellulaires d échange - activation de gènes de nodulines précoces par la mycorhization - réactions de défense limitées mécanismes communs ou similaires de perception et transduction des signaux, de développement etc? Intérêt de l étude comparative de ces deux symbioses, et // autres interactions biotiques
Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) Symbiose AM
Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008) Symbiose AM
Pour approfondir Oldroyd GE, Downie JA. Coordinating nodule morphogenesis with rhizobial infection in legumes. Annu Rev Plant Biol. 2008;59:519-46. PubMed PMID: 18444906. Corradi N, Bonfante P. The arbuscular mycorrhizal symbiosis: origin and evolution of a beneficial plant infection. PLoS Pathog. 2012;8(4):e1002600. PubMed PMID: 22532798. Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nat Rev Microbiol. 2008 Oct;6(10):763-75. PubMed PMID: 18794914. Jones KM, Kobayashi H, Davies BW, Taga ME, Walker GC. How rhizobial symbionts invade plants: the Sinorhizobium-Medicago model. Nat Rev Microbiol. 2007 Aug;5(8):619-33. PubMed PMID: 17632573. Denison RF, Kiers ET. Life histories of symbiotic rhizobia and mycorrhizal fungi. Curr Biol. 2011 Sep 27;21(18):R775-85. PubMed PMID: 21959168. Bhattacharyya PN, Jha DK. Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR): emergence in agriculture. World J Microbiol Biotechnol. 2012 Apr;28(4):1327-50. PubMed PMID: 22805914
Livres de synthèse et crédits schémas et photos Madigan, Martinko et Parker (2000) Brock «Biology of Microrganisms» 9 ème édition. Prentice Hall Ed. (ISBN 0-13-081922-0). Raven, Evert, Eichorn (2000). «Biologie Végétale». Editeur : De Boeck Université (ISBN 2-7445-0102-6). Marc-Henri Sélosse (2000). «La symbiose : structure et fonctions, rôle écologique et évolutif». Editeur :Vuibert (ISBN 2 7117 5283 6). Des sites internets Microbiologie générale http://helios.bto.ed.ac.uk/bto/microbes/microbes.htm http://commtechlab.msu.edu/sites/dlc-me/ Phylogénie http://phylogeny.arizona.edu/tree/ Rhizobium http://www.toulouse.inra.fr/lbmrpm/lbmrpm.htm http://www.cnrs-gif.fr/isv/ak/intro.html http://www.nap.edu/readingroom/books/bnf/chapter1.html Mycorhizes http://mycor.nancy.inra.fr/index.html http://mycorrhiza.ag.utk.edu/
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose fixatrice d azote
Symbiose AM Martin Parniske Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses Nature Reviews Microbiology 6, 763-775 (October 2008)
Symbiose fixatrice d azote : étapes de la formation d un nodule de type indéterminé II I Méristème Infection Interzone rhizobia Infection III Fixation d azote Epiderme IV Sénescence Cortex Endoderme Péricycle Organogenèse nodulaire Formation du méristème Nodule mature
Nodulines et gènes de nodulines : de nombreux types de gènes peuvent être induits au cours de la symbiose Rhizobium-légumineuse Signal (Nod factor) perception and transduction Morphogenetic / molecular responses Infection: mechanism and control II I III Signalling New metabolic fluxes : C sink - N source IV Senescence Cell cycle reactivation Root nodule organogenesis
Facteurs Myc (LCOs)
Gherbi H et al., Trends in Microbiology Vol.17 No