Une plante Arabidopsis sauvage de type sauvage (à gauche) et une plante mutante souffrant d'un déséquilibre microbien (à droite). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Beaucoup d'entre nous ont entendu parler une maladie intestinale inflammatoire, une condition débilitante qui est associée à une collection anormale de microbes dans l'intestin humain - connue sous le nom de microbiome intestinal. Mon laboratoire a récemment découvert que, comme les humains, les plantes peuvent également développer cette maladie, connue sous le nom de dysbiose, avec des conséquences graves.

Dans le cadre de cette étude, mes collègues et moi avons découvert que certains gènes et processus impliqués dans le contrôle de la dysbiose chez les plantes peuvent être similaires à ceux des humains. La découverte de la dysbiose dans le règne végétal ouvre de nouvelles possibilités pour stimuler l'innovation dans le domaine de la santé des végétaux et de la sécurité alimentaire mondiale.

Je suis un microbiologiste végétal intéressé par la façon dont les plantes et les microbes interagissent les uns avec les autres. Bien que nos recherches dans le passé se soient concentrées sur détails moléculaires des infections pathogènes, ce travail a conduit mon laboratoire dans le monde fascinant du microbiome végétal.

Les plantes ont-elles des microbiomes?

Lorsque les scientifiques disent que les «bactéries intestinales» humaines doivent être bien équilibrées, ils font référence au matériel génétique de tous les microbes vivant dans le système digestif humain, ou au microbiome intestinal. Les plantes ont-elles également des microbiomes? La réponse est oui.

En fait, les parties de la plante qui poussent au-dessus du sol, appelées phyllosphère, et les parties qui poussent en dessous, appelées rhizosphère, fournissent l'un des plus grands habitats de colonisation microbienne sur Terre. Les deux sont vitaux pour la vie humaine sur Terre.

La phyllosphère absorbe le dioxyde de carbone pour la photosynthèse, qui est nécessaire pour construire la biomasse et est une source principale de nourriture, de carburants, de fibres et de médicaments. La photosynthèse libère également de l'oxygène pour que les animaux et les humains respirent, c'est pourquoi les plantes sont souvent considérées comme les poumons de notre planète. La rhizosphère, en revanche, absorbe l'eau et les nutriments du sol.

De nombreuses études ont montré que les microbes végétaux aident les plantes à extraire les nutriments du sol et à faire face à la sécheresse, aux agents pathogènes, aux insectes et à d'autres stress.

Etudes écologiques ont également noté que plus la diversité des microbes vivant sur les feuilles des plantes est grande, plus les plantes semblent être productives.

Aujourd'hui, la plupart des spécialistes des plantes estiment que les stratégies mondiales visant à garantir la productivité des cultures et la sécurité alimentaire doivent tenir compte du microbiome des plantes. L'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture estime que jusqu'à 40% des cultures vivrières sont perdus chaque année en raison de ravageurs et de maladies des plantes, et l'Assemblée générale des Nations Unies a déclaré 2020 Année internationale de la santé des végétaux.

Certains microbes sont associés aux feuilles et aux pousses, tandis qu'un autre ensemble distinct vit parmi les racines. Sheng-Yang He, CC BY-SA

Comment les plantes maintiennent-elles le microbiote en bonne santé?

Compte tenu de l'importance du microbiote - la communauté spécifique des microbes vivant sur ou à proximité des plantes - pour la santé des plantes, nous avons estimé que les plantes devaient avoir développé un réseau génétique sophistiqué pour sélectionner le bon mélange de microbes.

Si cela est vrai, alors savoir quels gènes végétaux influencent les types de microbes entourant la plante pourrait guider les recherches futures pour optimiser les microbiomes végétaux afin d'aider les plantes à mieux pousser, à devenir plus fortes et à produire plus de biomasse et de rendement.

En effet, mon groupe a maintenant identifié certains de ces gènes «contrôlant le microbiote» dans la plante modèle Arabidopsis thaliana.

Nous avons constaté que plusieurs gènes impliqués dans l'immunité des plantes et l'équilibre hydrique sont essentiels pour sélectionner et maintenir un microbiote sain à l'intérieur Arabidopsis les feuilles des plantes.

Lorsque nous avons supprimé ces gènes identifiés des plantes, le Arabidopsis les mutants végétaux ne pouvaient pas héberger le bon mélange de microbes et présentaient des symptômes de dysbiose, y compris des feuilles mortes ou jaunissantes. Autant que nous sachions, c'était le première fois que les effets négatifs de la dysbiose ont été documentés de manière causale dans le règne végétal.

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Caractéristiques intéressantes des plantes `` malades ''

Mes collègues et moi avons observé certaines caractéristiques de dysbiose notables chez notre mutant Arabidopsis les plantes.

Premièrement, les mutants de la dysbiose ont tendance à avoir un niveau anormalement élevé de microbes vivant à l'intérieur des feuilles.

Une feuille d'une plante Arabidopsis saine (à gauche) et une feuille d'une plante mutante de dysbiose (à droite). Sheng-Yang He, CC BY-SA

Deuxièmement, il y a un changement radical dans la diversité des microbes. Par exemple, en temps normal Arabidopsis les feuilles des plantes, toutes sortes de bactéries vivent à l'intérieur de la feuille. En revanche, la diversité globale des bactéries est considérablement réduite chez les mutants dysbiotiques, ce qui suggère que les plantes saines favorisent la diversité microbienne, vraisemblablement pour augmenter les avantages pour la santé des plantes.

Troisièmement, alors que les bactéries appartenant au phylum Fermicutes sont abondants à l'intérieur de type sauvage Arabidopsis feuilles, l'abondance est considérablement réduite chez nos mutants génétiques. De plus, nous avons constaté une augmentation spectaculaire du nombre de bactéries nocives à l'intérieur des feuilles mutantes de la dysbiose. Nous trouvons intéressant que certaines de ces modifications du microbiote soient également observées chez des patients humains atteints de maladies inflammatoires de l'intestin, suggérant des parallèles conceptuels dans le développement de la dysbiose chez l'homme et les plantes.

Quelle est la prochaine?

Nous sommes enthousiasmés par notre identification de plusieurs gènes et processus végétaux impliqués dans la prévention de la dysbiose. Les gènes contrôlant le microbiote que nous avons identifiés Arabidopsis se trouvent dans les génomes de nombreuses autres plantes, ce qui suggère que nos découvertes pourraient avoir une large applicabilité.

À l'avenir, nous pourrions expérimenter la modification de ces gènes hôtes, ce qui pourrait conduire à des approches basées sur le microbiote qui améliorent la santé des plantes. Par exemple, les technologies d'édition de gènes pourraient être utilisées pour créer un biome sain dans les feuilles des plantes en améliorant l'expression de gènes spécifiques. Un microbiome synthétique sain peut être formulé comme un probiotique pour prévenir la dysbiose chez les plantes, tout comme les probiotiques ont été promis pour améliorer la santé du microbiome intestinal humain.

Il convient de noter que les mutations dans les gènes liés au système immunitaire d'une personne sont bien connues facteur de risque de développement d'une maladie inflammatoire de l'intestin chez les humains. Peut-être que les recherches futures trouveront des caractéristiques plus communes dans la façon dont les plantes et les humains interagissent avec leur microbiote respectif afin de prévenir les maladies.

La facilité des études génétiques sur les plantes, comme Arabidopsis, offre également la possibilité que les chercheurs puissent identifier davantage de gènes impliqués dans la préservation de la santé du microbiote chez les humains et les plantes.

À propos de l’auteur

Sheng-Yang He, professeur émérite de l'université, chercheur HHMI, Michigan State University

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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