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Parutions

 

La symbiose fixatrice d’azote : ce que nous apprend le séquençage des génomes

 

L’azote est un élément essentiel pour tout organisme vivant. Les légumineuses comme le haricot ou le soja obtiennent l’intégralité de l’azote dont elles ont besoin via une symbiose racinaire. Une étude récente publiée dans la revue Science, et basée sur la comparaison de 37 génomes dont 10 nouvellement séquencés, montre que malgré l’avantage évident apporté par cette symbiose elle a été perdue de multiple fois au cours de l’évolution, suggérant une fragilité encore méconnue de cette association.  

 

L’ajout d’engrais azoté représente un des coûts, écologique et économique, les plus importants de la culture de céréales. Au contraire, les légumineuses comme le haricot ou le soja obtiennent l’azote dont elles ont besoin via des bactéries du sol qui s’associe à leurs racines. Ces bactéries sont capables de transformer l’azote gazeux présent de façon inépuisable dans l’air en une forme chimique utilisable par les plantes, un processus appelé fixation de l’azote qui a lieu au sein de racines modifiées appelés nodules. L’association formée entre ces bactéries et les légumineuses tire son nom de ce processus, on parle de la « symbiose fixatrice d’azote ». Cette symbiose présente un avantage écologique très important en permettant aux légumineuses de survivre dans des habitats très pauvres en azote. Etant donné cet avantage significatif, il peut paraitre étonnant que seules les légumineuses et quelques rares espèces chez leurs proches parentes des ordres des Fagales, Rosales et Cucurbitales, aient évolué vers cette capacité à tirer bénéfice de cette symbiose.

Pour tenter de résoudre ce paradigme vieux de plusieurs décennies, un consortium international regroupant treize institutions de huit pays, a séquencé les génomes de dix espèces de plantes capables ou non de former cette symbiose, appartenant aux légumineuses et aux Fagales, Rosales et Cucurbitales. Une fois séquencés, ces génomes ont été comparés avec ceux de 27 autres plantes déjà disponibles. De façon stupéfiante et contre intuitive, ces comparaisons ont montré que la symbiose fixatrice d’azote a été perdue au cours de l’évolution chez de de multiples espèces, incluant des espèces d’intérêt agronomique comme la pomme ou la fraise. Au centre de cette analyse, on retrouve un gène, appelé NIN, précédemment identifié pour son rôle essentiel dans le processus symbiotique. Ce gène est retrouvé intact dans tous les génomes des plantes capables de former la symbiose fixatrice d’azote. Par contre, la majorité des autres espèces de légumineuses, Fagales, Cucurbitales et Rosales incapables aujourd’hui de former cette symbiose ne possèdent que des fragments de NIN ou l’ont complètement perdu.

Ce résultat indique que cette symbiose peut présenter un désavantage, aujourd’hui inconnu, dans certains habitats.  Une hypothèse avancée par les auteurs serait que d’autres bactéries du sol non symbiotiques pourraient parasiter les plantes en « piratant » la symbiose. Dans ces conditions, la perte de la symbiose pourrait alors présenter un avantage sélectif.

Au-delà des  considérations évolutives, ces résultats s‘inscrivent dans une perspective aux conséquences écologiques et économiques considérables : le transfert d’un processus symbiotique aux céréales qui représentent la majorité des cultures à l’échelle mondiale. Bien évidemment, dans le monde entier, des expériences se multiplient dans cette direction. Les résultats présentés ici, notamment la relative fragilité de cette symbiose, devront être pris en compte pour mener à leur terme ces projets ambitieux.

 

Figure : Evolution de la symbiose fixatrice d’azote : La symbiose fixatrice d’azote est présente chez quelques espèces de Fabales, Fagales, Cucurbitales et Rosales. La distribution de cette symbiose peut être le résultat d’un gain chez l’ancêtre commun à ces espèces suivis de multiple pertes ou de gains multiples. La deuxième hypothèse est jusqu’à aujourd’hui favorisée. Dix nouveaux génomes ont été séquencés et comparé par phylogénomique comparative et microsynténie à 27 autres génomes. Les espèces ne formant pas la symbiose présentent des signatures génomiques indiquant la perte de cette symbiose, validant ainsi l’occurrence de multiples pertes au cours de l’évolution.

© Pierre-Marc Delaux

 

 

En savoir plus

  • Phylogenomics reveals multiple losses of nitrogen-fixing root nodule symbiosis.

    Griesmann M, Chang Y, Liu X, Song Y, Haberer G, Crook MB, Billault-Penneteau B, Lauressergues D, Keller J, Imanishi L, Roswanjaya YP, Kohlen W, Pujic P, Battenberg K, Alloisio N, Liang Y, Hilhorst H, Salgado MG, Hocher V, Gherbi H, Svistoonoff S, Doyle JJ, He S, Xu Y, Xu S, Qu J, Gao Q, Fang X, Fu Y, Normand P, Berry AM, Wall LG, Ané JM, Pawlowski K, Xu X, Yang H, Spannagl M, Mayer KFX, Wong GK, Parniske M, Delaux PM, Cheng S.

    Science. 2018 May 24. pii: eaat1743. doi: 10.1126/science.aat1743. [Epub ahead of print]

     


Contact chercheur

 

  • Pierre-Marc Delaux

    Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales

    UMR5546 (CNRS, Université Paul Sabatier)

    24 Chemin de Borde Rouge, 31326 Castanet-Tolosan

    Tél. +33 (0)5 34 32 38 38

 

Mise en ligne le 5 juin 2018

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