• Réduire le texte

    Réduire le texte
  • Rétablir taille du texte

    Rétablir taille du texte
  • Augmenter le texte

    Augmenter le texte
  • Imprimer

    Imprimer

Comment se transmet la symbiose fixatrice d’azote dans le monde bactérien ?

Une expérience originale d’évolution expérimentale a montré que les rhizobia transmettent leur capacité symbiotique fixatrice d’azote à des bactéries éloignées grâce à un mécanisme de transfert horizontal particulièrement efficace : les gènes impliqués dans la symbiose sont co-transférés avec des gènes accélérateurs d’évolution, ce qui permet à la bactérie réceptrice d’acquérir rapidement des propriétés symbiotiques. Interview de Catherine Masson-Boivin.

Culture de  SOJA . Nodosités sur racines.  RHIZOBIUM . © BRUNEAU Roland
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 02/12/2014
Publié le 15/10/2014

Mimosa en fleur sur le site archéologique de Volubilis (Maroc).. © Inra, BOSSENNEC Jean-Marie
© Inra, BOSSENNEC Jean-Marie

Dans quel cadre s’insère votre travail ?

Catherine Masson-Boivin : Nous travaillons sur les bactéries symbiotiques fixatrices d’azote, les rhizobia. Ces bactéries, associées aux légumineuses, leur permettent d’utiliser l’azote de l’air sous une forme assimilable, leur conférant ainsi un avantage écologique et agronomique, puisque ces plantes se passent de l’apport d’engrais azotés. La possibilité de transférer cette propriété aux plantes non légumineuses, en particulier les céréales, fait partie des questions que se pose la recherche, avec de forts enjeux pour l’agriculture. C’est pourquoi de nombreux travaux visent à décrypter les mécanismes de la symbiose fixatrice d’azote, qui  est une fonction compliquée. Elle implique en effet une adaptation de la bactérie à la plante hôte, la formation d’un territoire partagé entre la bactérie et la plante, en l’occurrence des nodules formés sur la racine dans lesquels les bactéries se multiplient, et la mise en place dans ces nodules d’une véritable usine métabolique de fixation de l’azote. Comment approcher cette complexité ? Il se trouve qu’il existe des rhizobia dans plusieurs genres de bactéries assez éloignés les uns des autres. Etudier comment la capacité de symbiose se transmet entre ces bactéries est un bon moyen de comprendre les mécanismes en jeu.

Qu’avez-vous montré ?

C. M-B : Nous avons réalisé une expérience d’évolution expérimentale originale : nous avons étudié comment  une bactérie pathogène généraliste (du genre Ralstonia), qui se multiplie dans les vaisseaux des plantes, se transforme progressivement en une bactérie symbiotique spécifique du mimosa. Pour cela, nous avons transféré le plasmide symbiotique d’un rhizobium (du genre Cupriavidus) à Ralstonia et sélectionné des variants naturels de cette chimère capables de former des nodules (rudimentaires) sur le mimosa. Nous avons ensuite effectué plusieurs cycles de co-culture bactéries-mimosa, en les prélevant dans les nodules et en les remettant en culture en présence de mimosa. Au bout de 17 cycles, c'est-à-dire extrêmement rapidement à l’échelle évolutive, nous avons obtenu des bactéries symbiotiques capables d’infecter massivement les cellules  des nodules. Cependant, à ce stade, ces bactéries n’ont pas encore acquis la capacité de fixer l’azote de l’air.

Que s’est-il passé au niveau moléculaire ?

C. M-B : On sait que la capacité symbiotique peut se transmettre entre bactéries éloignées par transfert horizontal de plasmides symbiotiques, des formes d’ADN circulaires facilement transférables qui portent une partie des gènes essentiels aux fonctions de symbiose. Cependant, ce transfert ne suffit pas en général et on postule que l’acquisition des fonctions de symbiose nécessite un remodelage du génome de la bactérie d’accueil, pour permettre à la bactérie de s’adapter à la légumineuse hôte. A partir du séquençage de nos bactéries chimères évoluées, nous avons mis en évidence qu’elles avaient, dans le milieu de culture de la plante, un taux de mutations particulièrement élevé, au moins cinq fois plus que la normale. Ces mutations créent un potentiel de variabilité qui favorise un remodelage adaptatif du génome, les mutations favorables à la symbiose étant sélectionnées par la plante.

Comment expliquer cette hypermutabilité ?

C. M-B : Nous avons montré que ce taux élevé de mutation est provoqué par la présence du plasmide. En examinant ce dernier, nous avons identifié une « cassette  mutagène » portant des gènes d’ADN polymérases particulières, capables de répliquer de l’ADN abimé mais en faisant des erreurs, ce qui génère des mutations. Cette hypermutabilité s’exprime seulement lorsque la bactérie est dans le milieu de culture, et pas quand elle se trouve à l’intérieur des nodules. De plus, l’hypermutabilité ne s’exprime pas en milieu riche, il s’agit donc d’un type de mutagénèse dépendante de l’environnement, connue sous le nom  de « mutagénèse induite par le stress », le stress subi pouvant être l’absence de nutriments dans le milieu de culture plante. Enfin, nous avons montré que cette hypermutabilité permet une meilleure adaptation des bactéries en comparant des populations évoluées à partir de bactéries porteuses ou non de la cassette : les bactéries porteuses de la cassette gagnent la compétition pour  l’établissement de la symbiose avec la plante.

En conclusion, les gènes symbiotiques sont co-transférés avec des gènes « accélérateurs » de mutations qui favorisent le remodelage du génome de la bactérie réceptrice et son adaptation à la symbiose avec la plante.

Quels sont les prolongements de ce travail ?

C. M-B : En seulement quelques cycles de culture (environ 400 générations bactériennes), nous sommes passés d’une bactérie pathogène à une bactérie symbiotique (au sens de « qui vit avec ») de légumineuse. Le mécanisme responsable de cette évolution extrêmement rapide semble important dans la transmission horizontale de la fixation symbiotique de l’azote et donc dans l’apparition de nouvelles souches de rhizobia, à en juger par la surreprésentation de cassettes mutagènes plasmidiques parmi ces bactéries. A noter que cette cassette ne s’exprime pas chez le rhizobium d’origine (Cupriavidus), qui doit donc posséder un mécanisme d’extinction empêchant des mutations intempestives une fois atteint un certain niveau d’évolution.

Notre travail se poursuit car nous n’avons pas encore obtenu de bactéries chimères capables d’aller jusqu’à la fixation de l’azote. Nous allons donc repartir des meilleures bactéries évoluées et poursuivre l’expérience d’évolution expérimentale.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

Département(s) associé(s) :
Santé des plantes et environnement, Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Occitanie-Toulouse

Référence

Remigi P, Capela D, Clerissi C, Tasse L, Torchet R, et al. 2014. Transient Hypermutagenesis Accelerates the Evolution of Legume Endosymbionts Following Horizontal Gene Transfer. DOI:10.1371/journal.pbio.1001942