Soutenance mémoire
La symbiose fixatrice d’azote atmosphérique
Généralités sur la fixation biologique de l’azote atmosphérique
L’azote est l’un des éléments nutritifs majeurs pour les organismes végétaux et animaux. Il intervient principalement dans l’élaboration des biomolécules comme les protéines, les acides nucléiques et la chlorophylle (Epstein, 1972 ; Sprent, 2008) qui sont très importantes pour la vie. Hageman (1984) et Layzell (1990) ont montré que l’azote est essentiel à la synthèse des enzymes de la photosynthèse et favorise l’utilisation des hydrates de carbone. Chez les végétaux, l’azote stimule le développement et l’activité des racines, favorisant ainsi l’absorption des autres éléments minéraux et la croissance des plantes (Cardoso & Kuyper, 2006 ; Sprent, 2008). Trois sources d’azote peuvent être utilisées par les végétaux : l’azote du sol, l’azote apporté sous forme d’engrais et l’azote atmosphérique (N2). L’azote du sol et l’azote issu des engrais peuvent être directement utilisés par la plante. En revanche, l’azote atmosphérique qui représente 80% de l’air, ne peut être directement utilisé par les plantes ou les animaux pour la synthèse de leurs composés biologiques (Brockwell & Bottomley, 1995). Cet azote gazeux doit être transformé sous une forme ammoniacale, assimilable par les végétaux (Dommergues et al., 1999).
La fixation biologique d’azote consiste en réduction d’azote N2 en ammonium (NH3). C’est le second processus biochimique le plus important sur terre après la photosynthèse (Sprent, 2008). Parmi les organismes vivants, seuls quelques procaryotes ont cette propriété à fixer l’azote N2. Ils sont répartis dans plusieurs phylums taxinomiques des bactéries et des cyanobactéries. Les procaryotes fixateurs d’azote ont en commun un opéron dans lequel une vingtaine de gènes nif contrôle la synthèse d’un complexe enzymatique nitrogénase responsable de la réduction de l’azote moléculaire en ammoniac (Kahindi et al., 1997 ; Graham, 2008). Les espèces fixatrices d’azote N2 identifiées comme ayant une réelle contribution dans les sols tropicaux et subtropicaux peuvent être groupées en quatre catégories majeures : (i) les cyanobactéries (algues bleues), qui peuvent vivre libres ou en association avec certaines plantes, notamment du genre Azolla (Giller & Wilson, 1991), (ii) l’actinomycète Frankia, qui forme des associations symbiotiques avec des espèces végétales des zones tempérées en plus de certaines plantes tropicales appartenant au genre Casuarina (Dreyfus et al., 1987; Giller & Wilson, 1991), (iii) les diazotrophes libres dans le sol, avec les espèces des genres Klebsiella et Azotobacter comme exemple classique et incluant divers groupes de microorganismes fixateurs d’azote appartenant aux genres Azospirillum et Herbaspirillum (Döbereiner & Pedrosa, 1987) et (iv) les rhizobiums qui forment une relation symbiotique avec les plantes de la grande famille des légumineuses (Dommergues et al., 1999 ; van der Heijden et al., 2008 ; Lindström et al., 2010).
Dans cette association légumineuse-rhizobium, les rhizobiums au sens strict induisent la formation d’organes spécialisés appelés nodosités. Ces nodosités sont formées généralement au niveau des racines ou parfois au niveau des tiges (Dreyfus et al., 1988) et sont le siège des échanges entre les deux partenaires symbiotiques. La bactérie y réalise la réduction de l’azote moléculaire au bénéfice de la plante et l’énergie nécessaire à cette réaction est fournie sous forme de composés carbonés par la plante (Dommergues et al., 1999 ; Graham, 2008). L’association mutualiste légumineuse-rhizobium est d’une grande importance environnementale et agronomique puisqu’elle est responsable de la plus grande contribution de FBA dans le monde (Kahindi et al., 1997 ; Graham, 2008). Elle se trouve être la plus étudiée actuellement (Willems, 2006) et fournit des quantités substantielles d’azote aux plantes et au sol. Sa contribution dans l’approvisionnement du globe en azote est estimée à plus de 100 millions de tonnes par an (Graham, 1998), représentant approximativement 40% de l’azote global fixée (Brockwell & Bottomley, 1995). L’azote ainsi fixé peut par minéralisation de la litière et des résidus végétaux, contribuer à améliorer la teneur en azote assimilable du sol pour les plantes non-fixatrices de N2 (Carlsson & Huss-Danell, 2003). La mise en évidence de l’importance de la FBA dans les systèmes culturaux est très ancienne et date de l’époque romaine (rapporté par Fred et al., 1932). De nos jours, il est connu que la présence de ces microorganismes dans les sols permet d’assurer un meilleur développement des plantes tout en réduisant les apports de fertilisant azoté.
Échanges moléculaires précédant l’établissement de la symbiose
L’interaction légumineuse-rhizobium débute par une reconnaissance mutuelle faisant intervenir des échanges moléculaires entre les deux partenaires. Ces échanges constituent un premier niveau de contrôle de la spécificité d’hôte souvent observée dans cette relation légumineuse-rhizobium (Kobayashi & Broughton, 2008). Les gènes responsables de ces signalisations sont fortement conservés au niveau de la légumineuse hôte, et sont parfois utilisés dans les processus de mycorhization (Garcia-Garrido & Vierheilig, 2009). La nodulation est initiée par les racines de la légumineuse qui exsudent dans le sol des composés issus de sa photosynthèse et des molécules appelées flavonoïdes (Kobayashi & Broughton, 2008 ; Saeki, 2011). Ces composés et molécules attirent les bactéries vers les racines et d’une manière concomitante, agissent comme inducteurs de l’expression des gènes de nodulations (gènes nod) impliqués dans le contrôle des phases précoces de la symbiose (Figure 1). Cette induction est due à des protéines régulatrices Nod D qui sont des activateurs transcriptionnels des gènes nod (Peters & Verma, 1990 ; Kobayashi & Broughton, 2008 ; Saeki, 2011). En réponse, la bactérie synthétise et sécrète, sous le contrôle des gènes nod, des molécules de signalisation de nature lipochito-oligosaccharidique. Ces molécules, appelées facteurs Nod, déclenchent le programme de nodulation de la légumineuse hôte et permettent l’infection bactérienne. Celle-ci débute souvent par un cordon d’infection qui progresse vers la base du poil absorbant pour atteindre les cellules du cortex racinaire, où il se ramifie (Stacey et al., 2006 ; Oldroyd, 2007 ; Saeki, 2011). Parallèlement à cette infection bactérienne, des cellules corticales se dédifférencient et se divisent activement pour former le primordium nodulaire qui va accueillir les bactéries ayant progressé jusqu’au cortex racinaire. A ce stade, les bactéries différenciées en bactéroïdes, sont libérées dans les cellules. Elles sont alors capables de réduire l’azote moléculaire en ammoniac directement assimilable par la plante (Denarie et al., 1992 ; Smits et al., 1992 ; Kobayashi & Broughton, 2008). Lorsque l’azote n’est pas un facteur limitant, chacun des deux partenaires peut se développer indépendamment de l’autre (Kahindi et al., 1997 ; Graham, 2008).
Dans certains cas, l’infection ne fait pas intervenir les poils absorbants et la pénétration des bactéries se fait de façon mécanique (crack entry), soit au niveau d’une zone de faiblesse de l’épiderme des racines latérales (Boogerd & van Rossum, 1997 ; Sprent, 2008 ; Saeki, 2011) ; soit à la jonction de deux cellules épidermiques latérales (infection intercellulaire) (Boogerd & van Rossum, 1997 ; Lindström et al., 2010).
Évolution taxonomique des rhizobiums
L’étude des rhizobiums a commencé en 1888 lorsque Beijerinck a isolé la première bactérie fixatrice d’azote qu’il avait nommé Bacillus radicicola (Beijerinck, 1888). Les bactéries isolées de nodosités de légumineuses ont ensuite été classées en un seul genre Rhizobium par Frank sous l’appellation originelle de Rhizobium leguminosarum (Frank, 1889). Les tests de nodulation effectués sur diverses légumineuses hôtes au début du 20e siècle ont permis de constater que certains de ces rhizobiums ne pouvaient former des nodosités qu’avec un nombre limité d’espèces légumineuses. C’est de cette observation que va naître le concept de « cross inoculation groups » ou encore groupes d’inoculations croisées (Fred et al., 1932). Un groupe d’inoculation peut être défini comme étant un pool d’espèces légumineuses hôtes formant des nodosités spécifiques avec un type de souches bactériennes, et non avec d’autres espèces de rhizobiums qui vont induire la formation de nodosités sur des légumineuses n’appartenant pas au même groupe d’inoculation (Giller & Wilson, 1991 ; Dommergues et al., 1999). Pendant plusieurs années, la taxonomie des rhizobiums a été effectuée sur des groupes phénotypiques et a été largement basée sur ce concept de spécificité d’hôte pour la nodulation (Young, 1994). Cette forme de classification des rhizobiums a rapidement été remise en cause suite à la publication de Wilson (1944), évoquant plus de 500 cas faisant exception à cette notion de « cross inoculation groups ».
Au début des années 1960, les bactériologistes dans plusieurs études taxonomiques ont commencé à utiliser une large diversité de caractéristiques morphologique, nutritionnelle et métabolique (Graham, 1964), ainsi que des caractéristiques sérologiques (Graham, 1963). Avec le développement des techniques moléculaires et la proposition d’un minimum standard (Graham et al., 1991), des critères plus variés ont été progressivement inclus dans la description de nouvelles espèces de rhizobiums (de Lajudie et al., 1994 ; Chen et al., 1997 ; Lin et al., 2008 ; Lindström et al., 2010). Depuis les années 1980, la taxonomie des rhizobiums est basée sur les analyses de séquences nucléotidiques, principalement sur l’ADN codant pour l’ARN ribosomal. Rapidement, beaucoup de séquences ont été rendues disponibles, permettant à cette méthode d’être plus pratique pour être appliquée à la taxonomie des Rhizobiaceae (Young, 1992). Cette nouvelle classification est indépendante des traits phénotypiques et a permis de confirmer un bon nombre de divisions taxonomiques. Une plus grande diversité a été détectée dans les rhizobiums et leurs relations avec les autres groupes de bactéries deviennent apparentes (Kahindi et al., 1997 ; Noel, 2009). Il en découle une augmentation graduelle du nombre de genres et d’espèces de rhizobiums validés et publiés. Déjà en 2008, plus de 50 espèces de rhizobiums ont été classifiées à travers sept principaux genres appartenant à la subdivision des alpha proteobacteria : Rhizobium, Ensifer ou Sinorhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium, Allorhizobium, Mesorhizobium et Methylobacterium (Willems, 2006). Au moins 14 espèces de proteobactéries en dehors de ces genres classiques ont par la suite été confirmées pour leur capacité à induire la formation de nodosités fixatrices d’azote sur des légumineuses (Noel, 2009). Ces dernières espèces se rencontrent dans six genres appartenant à la subdivision des alpha proteobacteria : Blastobacter, Devosia, Phyllobacterium, Shinella, Labrys et Ochrobactrum (Willems, 2006 ; Ngom et al., 2004 ; Trujillo et al., 2005 ; Mantelin et al., 2006 ; Chou et al., 207 ; Lin et al., 2008), deux genres classés dans les beta proteobacteria (Burkholderia et Ralstonia ou Cupriavidus) et un genre Hedysarum appartenant à la subdivision des gamma proteobacteria (Chen et al., 2001 ; Benhizia et al., 2004 ; Graham, 2008 ; Chen et al., 2008). Cette classification des rhizobiums s’affine sans cesse et s’enrichit régulièrement de nouveaux taxa grâce à l’utilisation de techniques d’exploration plus affines.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre I
Symbioses microbiennes et plantations forestières : analyse bibliographique et questions de recherche
Avant-propos
1.1. Les symbioses végétales
1.2. La symbiose fixatrice d’azote atmosphérique
1.2.1. Généralités sur la fixation biologique de l’azote atmosphérique
1.2.2. Échanges moléculaires précédant l’établissement de la symbiose
1.2.3. Évolution taxonomique des rhizobiums
1.2.4. Les légumineuses partenaires des rhizobiums
1.2.5. Écologie des bactéries rhizobiums
1.2.6. Approches pour une gestion durable des rhizobiums dans le sol
1.3. La symbiose mycorhizienne
1.3.1. Généralités sur les symbioses mycorhiziennes
1.3.2. La symbiose endomycorhizienne
1.3.2.1. Biologie des champignons endomycorhiziens
1.3.2.2. Évolution taxonomique des champignons endomycorhiziens
1.3.2.3. Aspects écologiques des mycorhizes
1.3.2.3.1. Rôle des mycorhizes dans l’évolution de la forme de vie terrestre
1.3.2.3.2. Rôle des mycorhizes dans la nutrition des plantes
1.3.2.3.3. Rôle des mycorhizes dans la protection contre les agents pathogènes
1.3.2.3.4. Rôle des mycorhizes dans l’agrégation des sols
1.3.2.4. Interactions champignons mycorhiziens-bactéries utiles de la rhizosphère
1.4. Plantations forestières et communautés microbiennes du sol
1.4. Conclusion et enjeux scientifiques de la thèse
Chapitre II
Matériel et méthodes
2.1. Localisation et description de la zone d’étude
2.2. Échantillonnage et caractérisation physico-chimique des sols
2.3. Étude des bactéries rhizobiums
2.3.1. Estimation de l’abondance des rhizobiums
2.3.2. Étude de la diversité génétique des rhizobiums
2.3.3. Spectre d’hôtes et efficacité des représentants de groupes IGS-RFLP
2.3.4. Détermination de la position phylogénétique des isolats
2.4. Étude des champignons endomycorhiziens
2.4.1. Estimation du potentiel infectieux mycorhizien des sols
2.4.2. Étude de la diversité des champignons endomycorhiziens
2.4.3. Estimation de l’intensité de mycorhization
2.5. Analyses des données
Chapitre III
Avant-propos
The abundance and diversity of legume-nodulating rhizobia and arbuscular mycorrhizal fungal comminities in soil samples from deforested and man-made forest systems in a semiarid Sahel region in Senegal
Abstract
Introduction
Materials and methods
Description of the site
Sampling procedure
Observational study 1
Estimation of legume-nodulating rhizobia populations
PCR/RFLP characterization of the rhizobia isolates
Phylogenetic analysis
Observational study 2
Determination of mycorrhizal soil infectivity
Culture, isolation and identification of AM fungi
Field mycorrhizal colonization
Statistic analyses
Results
Soil properties
Observational study 1
Legume-nodulating rhizobia populations
Phylogenetic analysis
Observational study 2
Mycorrhizal soil infectivity
AM fungus composition and diversity
Field mycorrhizal colonization
Correlation between LNR and AM fungal communities and abiotic factors
Discussion
Acknowledgments
References
Analyse synthétique des résultats
Chapitre IV
Avant-propos
The abundance and diversity of legume-nodulating rhizobia in 28-year-old plantations of tropical, subtropical and exotic tree species: A case study from the forest reserve of Bandia, Senegal
Abstract
Introduction
Material and Methods
Field sites and soil sampling
Determination of the most probable number of legume-nodulating rhizobia
Nodule sampling and isolation of legume-nodulating rhizobia
PCR/RFLP characterization of the isolates
Legume-nodulating rhizobial diversity at each field plot
Phylogenetic analysis
Legume-nodulating rhizobia nodulation and host symbiotic preferences
Results
Determination of the most probable number of legume-nodulating rhizobia
Nodule sampling and isolation of legume-nodulating rhizobia
Legume-nodulating rhizobial diversity at each field plot
CONCLUSION GÉNÉRALE
