Les tournesols peuvent être récoltés pour un certain nombre de produits, notamment les graines et l'huile, pour lesquels la demande des consommateurs a considérablement augmenté ces dernières années. Ils peuvent également contribuer à la résilience climatique, notent les chercheurs, car ils peuvent s'adapter à diverses conditions météorologiques et les pousses de tournesol contiennent des nutriments qui peuvent favoriser la santé humaine.

Malheureusement, comme beaucoup d’autres plantes, les tournesols sont sensibles aux maladies, ce qui peut entraîner d’importantes pertes de récolte. Par exemple, la moisissure blanche, causée par le champignon pathogène Sclerotinia sclerotiorum, est responsable de pertes annuelles moyennes de récolte de tournesol de plus de 1 %. Elle peut également affecter les haricots, les aubergines, la laitue, les arachides, les pommes de terre et le soja, détruisant dans certains cas 100 % des cultures.

Alors que l'approche de la gestion des maladies telles que la moisissure blanche s'est généralement concentrée sur la génétique végétale, une étude publiée dans Molecular Ecology et dirigé par des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder, suggère que les communautés d'organismes microscopiques autour des racines des plantes jouent également un rôle majeur et que la variation génétique des plantes affecte en fait les microbiomes associés.

Expériences sur le terrain et en serre

La recherche comprenait une étude en serre ainsi qu'une expérience sur le terrain que les chercheurs ont menée en utilisant différentes races de tournesols dont ils ont extrait et séquencé l'ADN.

Vingt plants de chaque race de tournesol ont été cultivés dans un seul champ où les chercheurs s'attendaient à ce qu'il contienne des microbes hostiles au pathogène Sclerotinia. Certaines plantes étaient infectées, d'autres non, ce qui était nécessaire pour faire la distinction entre les microbes pertinents pour l'étude et ceux profitant de la mort des tissus provoquée par Sclerotinia.

Dans l'expérience en serre, les tournesols ont été cultivés dans un sol provenant du même environnement que celui utilisé dans l'expérience sur le terrain, dont la moitié avait été stérilisée pour éliminer tous les microbes.

Les plantes ont été infectées et évaluées pour leur résistance à la maladie, permettant aux chercheurs de déterminer l'importance des microbes dans les résultats obtenus par différentes races de tournesol lors de l'expérience sur le terrain. Si les tournesols cultivés dans un sol stérile étaient moins résistants aux maladies, cela montrerait que les microbes confèrent à leurs plantes une résistance aux maladies.

Les chercheurs ont appris que 42 types de microbes étaient associés à la résistance aux maladies. L'expérience en serre a montré que ces microbes sont très importants pour la résistance des plantes aux maladies, puisque les tournesols placés dans un sol stérile sont morts jusqu'à 19 jours plus tôt que leurs homologues.

Ensuite, les abondances des principaux microbes ont été associées aux caractéristiques génétiques des différentes plantes, et les chercheurs ont découvert que certains gènes correspondaient à une abondance accrue des microbes.

Tout cela suggère que différentes races de tournesol se sont adaptées génétiquement pour augmenter le nombre de microbes utiles dans le sol voisin et améliorer ainsi leur résistance à la moisissure blanche, ont conclu les chercheurs. L'association entre plante et microbe étant génétique, elle peut être héréditaire et il est donc possible de cultiver cette résistance par sélection, entre autres méthodes.

Résistance aux microbes et aux maladies des plantes

Avant l'étude, on ne savait pas exactement quel effet les communautés microbiennes avaient sur la résistance des plantes aux maladies, explique Nolan Kane, professeur agrégé d'écologie et de biologie évolutive à l'Université de Boulder et chercheur renommé sur le tournesol.

"Il existe certainement des cas documentés montrant que cela est important", dit-il, "mais pour la plupart des agents pathogènes, les plantes ont le bon allèle sur ce gène, et elles seront résistantes à cet agent pathogène, et si elles n'ont pas le bon allèle sur ce gène, elles seront résistantes à cet agent pathogène, et si elles n'ont pas le bon allèle sur ce gène, allèle droit, alors ils seront sensibles.

"(Les humains) ont un système immunitaire très complexe qui peut reconnaître de nouvelles protéines à tout moment. Les plantes ont un système immunitaire très différent qui est souvent simplifié à un seul gène qui détecte l'agent pathogène. Si la protéine pathogène est une version que le gène peut détecter, alors la plante sera résistante, mais s'il n'y a pas la bonne correspondance, la plante sera sensible."

Contrairement au système immunitaire humain, le système immunitaire des plantes ne conserve pas de trace de chaque microbe qu’il a combattu. Au lieu de cela, ils reconnaissent les modèles moléculaires associés à la maladie à l’aide de récepteurs spécialisés. Chaque type de récepteur ne peut interagir qu’avec des molécules de formes particulières, qui s’emboîtent comme des pièces de puzzle assorties. Une fois ce contact établi, le récepteur signale une réponse de défense.

Dans le cas des tournesols étudiés par Kane et ses collègues de recherche, au moins pour Sclerotinia, les choses sont plus compliquées. "C'était un cas où nous pensions vraiment que le microbiome ou un autre composant environnemental pourrait jouer un rôle important", explique Kane. Comme les chercheurs l'ont découvert, quatre types de bactéries étaient fortement corrélés à la résistance des tournesols à l'agent pathogène fongique, ce qui suggère que leur intuition était correcte.

Cependant, dit Kane, "de nombreux microbes étaient corrélés les uns aux autres", ce qui signifie que l'effet pourrait être le résultat de l'ensemble de la communauté plutôt que de ces quatre types de bactéries, appelés unités taxonomiques opérationnelles (OTU).

Néanmoins, Kane poursuit :« Les quatre bactéries que nous avons mises en évidence sont les plus fortement corrélées à la résistance aux agents pathogènes, et lorsque nous contrôlons ces quatre, aucune des autres OTU corrélées n'était significative en association avec la maladie », bien que les quatre bactéries principales ne puissent probablement pas le faire. améliorent individuellement la résistance aux maladies, car "beaucoup de ces microbes ne se développent pas très bien par eux-mêmes, ou ne se comportent pas de la même manière lorsqu'ils sont cultivés seuls."

Symbiose plante/microbe

Les chercheurs ont découvert que plus il y avait de ces quatre bactéries dans le sol autour des plantes, mieux elles résistaient à Sclerotinia sclerotiorum. Alors, comment les plantes peuvent-elles tirer parti de ces bactéries, et quel est le rapport avec la génétique végétale ?

Il s'avère que les plantes peuvent cultiver une communauté de microbes utiles dans la zone du sol autour de leurs racines, connue sous le nom de rhizosphère.

"En général, les plantes peuvent sécréter des composés qui inhibent certains microbes ou favorisent leur croissance", explique Kane. La photosynthèse, le processus utilisé par les plantes pour convertir la lumière en énergie utilisable, produit de nombreuses molécules de glucides comme les sucres et les amidons.

Pour cette raison, dit Kane, "Beaucoup de leurs interactions avec les microbes impliquent des sucres ou des glucides fournis par les plantes, et les plantes en bénéficient en récupérant de l'azote ou autre chose dont elles ont besoin."

Les plantes entretiennent des types similaires de relations symbiotiques avec les champignons qu’elles bénéficient de la promotion. L'azote n'est qu'un exemple des avantages que les plantes tirent de leurs relations symbiotiques :« Dans l'étude que nous avons menée, nous ne savons pas s'il s'agit nécessairement du même mécanisme, mais il est probable qu'il y ait une sorte d'exsudats racinaires qui façonnent le microbiome", explique Kane. "C'est l'un des mécanismes clés utilisés par les plantes."

La manière dont les plantes interagissent avec les microbes de la rhizosphère dépend de leurs gènes. Pour cette raison, les chercheurs ont pu associer les quatre types de bactéries à des parties très spécifiques du code génétique du tournesol.

Associations avec des microbes

L’étude a également abouti à d’autres résultats importants. Elle a montré que quatre des 40 échantillons de tournesol étudiés résistaient à Sclerotinia même sans la protection de bactéries utiles. Ils ont obtenu de moins bons résultats dans un sol stérilisé que dans un sol contenant des bactéries, mais étaient nettement meilleurs que les autres échantillons.

"Cela pourrait être une sorte de capacité à réagir à l'agent pathogène de manière protectrice", explique Kane. "Nous ne savons pas encore si cela constituerait une cible de sélection utile, car il pourrait y avoir des compromis, ou si cela pourrait avoir des effets protecteurs limités, voire inexistants, dans des conditions normales." Pourtant, "cela montre que toute l'histoire ne se limite pas aux microbes. Il y a un élément important, même s'il est plus petit, lié à la génétique inhérente aux plantes."

La recherche a inspiré d'autres questions sur les coûts et les avantages de la symbiose avec les microbes, les mécanismes moléculaires responsables de la variation de la symbiose et l'importance des interactions entre le génotype et les facteurs environnementaux.

Kane dit que lui et ses collègues de recherche « examinent certaines de ces lignées dans des environnements plus diversifiés aux États-Unis et tentent de déterminer si ces associations microbiennes sont très générales dans un large éventail d'environnements, ou si elles sont très spécifiques à un seul. environnement."

Puisque ces études sont menées dans les champs des agriculteurs, les plantes examinées ne seront pas exposées à des agents pathogènes. Au lieu de cela, les chercheurs se concentreront sur les associations des plantes avec les microbes, explique Kane.

De même, Kane déclare :« Voir ces effets génétiques dans cet environnement unique sur autant de microbes différents était vraiment passionnant car cela suggère que les tournesols que nous avons utilisés dans cette étude présentent des variations intéressantes qui pourraient être associées à un large éventail de caractéristiques différentes. nous ne l'avons pas examiné, mais ce serait vraiment passionnant d'y réfléchir dans le cadre de travaux futurs."

De nombreuses cultures ont perdu certaines de leurs associations microbiennes à cause de la sélection, dit Kane, mais cela n'a pas posé de problème avec la population étudiée, ce qui la rend potentiellement utile pour de futures recherches.

L’étude donne néanmoins une idée de la manière dont les associations microbiennes pourraient être utilisées pour protéger les plantes à elles seules. Le moyen le plus simple d'y parvenir consiste à sélectionner des plantes pour les gènes correspondant à une abondance accrue de microbes utiles dans la rhizosphère.

"En plus de l'élevage", explique Kane, "différentes pratiques agricoles et environnementales pourraient promouvoir des communautés utiles ou inhiber des communautés nuisibles". Dans les cas où les microbes utiles ne sont pas déjà présents, leur application dans les champs pourrait également être importante.

"Ce serait probablement une combinaison de plusieurs de ces différentes choses", dit Kane. Certaines sociétés de biotechnologie travaillent déjà sur des « concoctions » microbiennes bénéfiques pour certaines cultures, qui pourraient être appliquées dans les champs ou enrobées sur les graines des plantes.

Cette étude "pourrait certainement aider à la sélection du tournesol", conclut Kane, mais aussi "nous aider à comprendre comment reproduire plus efficacement d'autres espèces, ainsi qu'à fournir des connaissances scientifiques fondamentales non seulement sur la façon dont les plantes interagissent avec leur environnement, mais aussi sur la manière dont l'ensemble de la communauté sous le sol agit pour affecter cette interaction. "