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Des bactéries Rhizobium pour améliorer la productivité des cultures de légumineuses

L’inoculation de la plante modèle Medicago truncatula avec une souche de rhizobium Sinorhizobium meliloti sur-exprimant le gène hmp de la flavohémoglobine permet d’augmenter la longévité des nodules, d’améliorer l’état général de la plante et d’augmenter significativement la biomasse de cette plante légumineuse.

Gousses vertes de Medicago truncatula. Cette plante est cultivée dans le cadre d'une expérimentation menée par l'INRA Montpellier (UMR 759 LEPSE) sur l'influence des stress environnementaux sur la physiologie de certaines plantes modèles. © PROSPERI Jean-Marie

Les plantes « légumineuses », traditionnellement incluse dans la pratique agricole de rotation des cultures, ont la particularité d’utiliser l’azote de l’air pour la croissance. Cette propriété intéressante résulte d’une interaction symbiotique de bactéries « rhizobium », naturellement présentes dans les sols, avec les racines des légumineuses. Au sein des nodules, les bactéries se spécialisent dans la réduction de l’azote atmosphérique en composés azotés directement assimilables par la plante. Cependant, la symbiose est un processus transitoire puisque les nodules sont des organes sénescents à terme et qui perdent donc leur capacité à fixer l’azote.

L’équipe dirigée par Claude Bruand s’intéresse au rôle du monoxyde d’azote NO dans l’interaction entre la légumineuse Medicago truncatula et le rhizobium Sinorhizobium meliloti. Elle a montré que le NO induit l’expression chez S. meliloti du gène hmp codant pour une flavohémoglobine, une protéine impliquée dans la détoxication du NO chez de nombreuses espèces bactériennes.

Les recherches de l’INRA ont consisté en l’inoculation de plantules de M. truncatula (cultivées en milieu dépourvu d’azote) avec une souche de rhizobium S. meliloti surexprimant le gène hmp (hmp++) : 

  • l’inoculation avec la souche hmp++ induit la formation de nodules avec une efficacité comparable (nombre de nodules formés) à l’induction que l’on observe avec une souche S. meliloti sauvag
  • la sénescence des nodules formés par l’interaction du rhizobium hmp++ avec la légumineuse est significativement retardée
  • les symptômes de sénescence foliaire apparaissent aussi plus tardivement lorsque la plante a développé des nodules racinaires avec le rhizobium hmp++
  • l’inoculation avec les bactéries surexprimant le gène hmp conduit à une augmentation de la biomasse de la plante
  • la sénescence des nodules déclenchée par une condition de stress est réduite par l’utilisation de la souche hmp++

Ces effets résulteraient de l’activité prolongée de fixation d’azote par ces nodules et donc de la plus grande biodisponibilité d’azote pour la plante. En effet, l’équipe a montré que l’activité de fixation d’azote est supérieure chez les plantes inoculées avec ces bactéries modifiées et qu’elle dure plus longtemps comparé à ce qui a été observé chez les plantes inoculées avec la souche sauvage. L’utilisation de souches de rhizobium surexprimant la flavohémoglobine comme inoculants pour améliorer la productivité des cultures de légumineuses présente un fort intérêt agronomique.

Cette technologie peut-être étendue à d’autres couples bactéries-plantes légumineuses; elle n’implique pas la construction ni l’utilisation de plantes transgéniques et utilise un gène naturellement présent dans le génome des bactéries rhizobium et dont le nombre de copies a ici été artificiellement augmenté. De nouveaux développements sont envisagés dans le cadre de partenariat de recherche et de développement. INRA Transfert recherche des partenaires industriels dans les secteurs des bio-fertilisants ou de la fabrication de spécialités agronomiques notamment, mais pas exclusivement, pour le développement de cette innovation brevetée par l’INRA (WO2012/085184).

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

  • Claude BRUAND Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, INRA-CNRS 441-2594
Chargée de valorisation : :
Alice AGASSE - INRA Transfert (01 42 75 93 54)

Bibliographie

  • Meilhoc E., Cam Y., Skapski A., Bruand C. The Response to Nitric Oxide of the Nitrogen-Fixing Symbiont Sinorhizobium meliloti. Molecular Plant-Microbe Interactions 2010 vol. 23(6): 748-759
  • Cam Y., Pierre O., Boncompagni E., Hérouart D., Meilhoc E., Bruand C. Nitric oxide (NO): a key player in the senescence of Medicago truncatula root nodules. New Phytologist 2012 vol. 196(2): 548-560