Interaction Rhizobium Légumineuses

Positionnement du sujet

La croissance des plantes cultivées dépend de la présence d’azote en quantité suffisante dans le sol. L’utilisation massive de fertilisants azotés est aujourd’hui remise en question car leur introduction en cultures intensives constitue un risque important pour l’environnement en provoquant des pollutions majeures aux nitrates et nitrites. Parmi les plantes cultivées, les légumineuses peuvent s’associer avec des bactéries du sol du genre Rhizobium qui sont capables de fixer l’azote atmosphérique, permettant ainsi à la plante de couvrir en grande partie ses besoins en azote. Cette association s’établit au sein de nouveaux organes, appelés nodosités, dont le développement est induit par les bactéries au niveau des racines et contrôlé par la plante. L’azote réduit par les bactéries et non consommé par les plantes est ensuite  relargué dans le sol et contribue à son enrichissement.
 Cette relation symbiotique a une durée de vie limitée et elle est sensible aux changements environnementaux. Elle demande donc à être optimisée afin de réduire les intrants azotés dans les cultures et d'aboutir à une agriculture plus respectueuse de l’environnement.

Thématique générale et objectifs

L’équipe Symbiose cherche à approfondir les connaissances sur les symbioses plante/bactérie fixatrice d’azote (Légumineuses/Rhizobium) en étudiant plus particulièrement le rôle de l’état d’oxydoréduction de la cellule dans la relation symbiotique. Elle s’intéresse à trois processus primordiaux de la relation symbiotique : les mécanismes d’accueil de la bactérie par la plante, la régulation du métabolisme énergétique dans la nodosité fonctionnelle et le phénomène de sénescence nodulaire qui entraîne la rupture de l’association symbiotique. Dans ce cadre, elle étudie plus particulièrement 3 molécules majeures impliquées dans la régulation de l’état redox de la cellule : le peroxyde d’hydrogène (H2O2), le monoxyde d’azote (NO) et le glutathion (GSH).

Étude de l’interaction symbiotique Légumineuses– Rhizobium

A. Nodosité mature avec les différentes zones fonctionnelles.
 B. Détection du NO durant le processus d’infection.
 C. Co-localisation du H₂O₂ (en vert) et de S. meliloti (en rouge) dans de jeunes nodosités.
 D. ADN du partenaire végétal (en rouge) et du partenaire bactérien (en vert) dans des cellules infectées.
 E. Analyse de l’expression d’un gène de la voie de biosynthèse du GSH par fusion promoteur-beta glucuronidase (GUS)

Modèles biologiques étudiés

Légumineuses : Medicago sativa et Medicago truncatula
Bactérie symbiotique : Sinorhizobium meliloti

Originalité scientifique de l’équipe

L'originalité de l'équipe réside dans son approche de la régulation de la symbiose par l'état redox. Cette approche est spécifique à Sophia Antipolis et novatrice. Au cours des dernières années, les travaux de l'équipe ont ainsi montré le rôle primordial de molécules régulatrices de l’état rédox telles que H2O2, NO et GSH dans la mise en place, le fonctionnement et la sénescence des nodosités.

Problématiques actuelles

Quelles sont les implications et les rôles spécifiques (signalisation, régulation génique, métabolisme) des molécules régulatrices de l’état redox cellulaire (H2O2, NO, GSH) dans la mise en place, le fonctionnement et la sénescence des nodosités ?

Plus particulièrement :

• Les cibles géniques et protéiques de H2O2, du NO et du GSH impliquées dans la mise en place, le fonctionnement et la rupture de la symbiose ;
• Le rôle du NO dans la régulation du métabolisme énergétique de la nodosité fixatrice d'azote ;
• Les mécanismes rédox dépendants impliqués dans la différenciation bactéroïdienne ;
• La contribution du bactéroïde dans le processus de sénescence nodositaire.

Légende 2 : Étude de l’interaction symbiotique Légumineuses– Rhizobium
E. Visualisation des bactéroïdes par microscopie électronique lors d’un stress salin. 
F. Étude de l’expression de la ferritine lors d’un stress salin par hybridation in situ. 
G. Caractérisation de l’expression des gènes de synthèse du glutathion et de l’homoglutathion par northern blot.

Application

• Réduire la quantité d’engrais azotés utilisés sur les cultures en améliorant la fixation naturelle d’azote atmosphérique résultant de l’activité symbiotique ;
• Mise en place d'outils de sélection de variétés de légumineuses adaptées aux contraintes environnementales

Partenariat scientifique et soutien de programme

Collaborations nationales :

• Université d'Angers ;
• Université de Nancy ;
• CNRS Gif sur Yvette ;
• Laboratoire des Interactions Plante-Microorganismes (LIPM), , INRA Toulouse ;
• UMR INRA/CNRS/Université de Bourgogne Plante-Microbe-Environnement (PME), INRA Dijon ;
• UMR INRA/Universités de Bordeaux 1 et Bordeaux 2  Biologie du Fruit et Pathologie (BFP), INRA Bordeaux-Villenave d'Ornon ;
• UMR Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (BPMP), UR laboratoire de Protéomique Fonctionnelle (LPF), INRA Montpellier.

Collaborations internationales :

• Université de Bielefeld (Allemagne) ;
• Université de Vérone (Italie) ;
• Université de Gand (Belgique) ;
• Université de Tunis El Manar (Tunisie) ; Université de Carthage (Tunisie)
• Université d'Oran (Algérie).