Technologies de séquençage révélant les interactions plante-microorganisme

Qu'est-ce que le microbiome ?

Le microbiome se réfère à une collection de micro-organismes possédant des caractéristiques physico-chimiques distinctes, occupant des habitats bien définis et raisonnables. Ce terme englobe non seulement les micro-organismes eux-mêmes, mais aussi leurs zones actives, qui établissent des niches écologiques spécifiques. Cet écosystème microbien dynamique et interactif subit des changements au fil du temps et à différentes échelles et revêt une importance cruciale pour le fonctionnement et la santé de son hôte. Composé de micro-organismes provenant de divers domaines tels que les procaryotes (bactéries, archées) et les eucaryotes (protozoaires, champignons, algues), la 'zone active' du microbiome inclut des structures microbiennes, des métabolites, des éléments génétiques mobiles (tels que les transposons, les phages et les virus), ainsi que de l'ADN résiduel intégré dans l'environnement de l'habitat.

Le rôle du microbiome chez les plantes

Les communautés microbiennes au sein des plantes présentent des différences marquées en termes de composition par rapport à celles des animaux. En raison de l'abondance et de la diversité plus grandes des communautés végétales, les microorganismes présents dans les plantes sont relativement plus complexes. Ces microorganismes végétaux peuvent être classés en microorganismes de surface et en microorganismes intra-tissulaires en fonction de leurs sites de colonisation.

Les plantes sont fermement ancrées dans le sol, et leur système racinaire, ainsi que son apoptose, son abscission et ses sécrétions, constitue une source vitale de nutriments et d'énergie pour les microorganismes. La structure complexe du système racinaire améliore également l'état hydrique et les conditions d'aération dans l'épaisseur d'environ 1 mm près de la racine, formant ce que l'on appelle la région inter-racinaire. Cette région inter-racinaire est le principal site d'échange de nutriments et d'informations entre les plantes et le sol, abritant des microorganismes connus sous le nom de microorganismes inter-racinaires.

Certains microorganismes parviennent à surmonter les barrières de l'hôte et à pénétrer dans la racine, devenant des microorganismes intra-racinaires. De plus, les microorganismes résidant à la surface des feuilles, en particulier autour des stomates, sont appelés microorganismes interfoliaires. Ceux capables de pénétrer les stomates ou d'autres barrières pour infiltrer les tissus végétaux sont connus sous le nom de microorganismes intrafoliaires. Il est à noter que les microorganismes recrutés à partir d'espèces diverses ou même de différentes parties de tissu de la même espèce présentent des profils distincts, bien que certains schémas émergent. Les populations bactériennes sont principalement dominées par des groupes tels que les Ascomycètes, Anaplasma, Posterobacteria et Actinobactéries, tandis que les champignons sont principalement représentés par les Ascomycètes et les Stamenomycètes.

Microbiome dans l'écosystème végétal. (Shelake et al., 2019)

Quels facteurs influencent la structure des microorganismes végétaux ?

La structure du microbiome des plantes est façonnée par une multitude de facteurs. Les attributs physiques et chimiques du sol agissent comme le déterminant initial, influençant l'étendue de la communauté avec laquelle les racines des plantes peuvent interagir directement. Les fluctuations environnementales, l'activité des insectes et l'alimentation herbivore exercent une influence significative sur l'assemblage microbien accessible aux parties aériennes de la plante. L'espèce végétale spécifique et sa phase de croissance jouent un rôle direct dans la sélection du microbiome associé à la plante. Ces dynamiques impactent collectivement la dispersion latérale du microbiome des plantes. Dans le cas des plantes à fleurs, les microorganismes se déplacent également par le biais du pollen, du nectar et, finalement, des graines, se transmettant verticalement en tant que microorganismes des graines au cycle de vie suivant.

Simultanément, les plantes évaluent activement les microbes environnementaux en fonction de besoins spécifiques. Dans un premier temps, des composés primaires générés par la photosynthèse, comme les sucres et les acides aminés, sont sécrétés dans le milieu environnant par les racines. Cela incite le recrutement de microorganismes provenant de la banque de semences microbiennes du sol, facilité par les provisions en nutriments. De plus, des métabolites secondaires tels que les coumarines, les composés phénoliques et les composés post sont synthétisés, déclenchant un processus de sélection pour des partenaires microbiens appropriés. Certains partenaires cherchent à établir un rapport plus étroit et à infiltrer les tissus via les cellules corticales. La plante exerce ici un filtrage plus minutieux, activant ses propres réponses immunitaires pour expulser les partenaires indésirables. En fin de compte, divers niveaux de coopération sont établis avec des microorganismes qui remplissent des fonctions distinctes, en fonction des besoins de la plante.

Faire progresser la recherche sur le microbiome des plantes grâce à la technologie de séquençage

• Métatranscriptomique

Élevant cette voie d'investigation à un niveau supérieur, métatranscriptomique s'approfondit en ciblant les molécules d'ARN au sein d'un échantillon. Cette méthode offre une perspective en temps réel sur la dynamique de l'expression génique active de la communauté microbienne, fournissant ainsi un portrait complexe de leurs rôles fonctionnels dans un contexte dynamique. Grâce à une analyse rigoureuse du transcriptome dans le contexte du microbiome des plantes, les chercheurs peuvent habilement identifier les bases génétiques des diverses activités englobant le cycle des nutriments, les mécanismes de défense contre les pathogènes et les canaux de communication complexes établis avec l'hôte végétal.

Veuillez lire notre article. Aperçu du séquençage métatranscriptomique : principes, flux de travail et applications.

• Séquençage de l'ARNr 16S et de l'ITS

À la pointe de l'analyse du microbiome se trouve la technique clé du séquençage de régions géniques spécifiques inhérentes aux génomes microbiens, telles que le gène de l'ARN ribosomal 16S pour les entités bactériennes et la région de l'Espace Transcrit Interne (ITS) pour les homologues fongiques. Ces gènes présentent une conservation remarquable à travers les espèces tout en abritant des domaines variables qui facilitent la discrimination entre les diverses taxons microbiens. En exploitant la puissance de Séquençage de l'ARNr 16S et de l'ITSles chercheurs sont habilement équipés pour établir un profil taxonomique méticuleux du microbiome, découvrant ainsi des motifs complexes de diversité et la prévalence relative de divers groupes microbiens.

Pour plus d'informations, veuillez vous référer à Principes et flux de travail du séquençage des amplicons 16S/18S/ITS.

• Métagénomique par shotgun

Une poursuite distinctive dans ce paysage d'investigation est le paradigme de métagénomique shotgun, caractérisé par un séquençage global du matériel génétique au sein d'un échantillon, sans la contrainte d'un ciblage spécifique aux gènes. Cette stratégie holistique fournit une représentation complète du potentiel génétique encapsulé au sein de la communauté microbienne, permettant une exploration approfondie non seulement des dimensions taxonomiques, mais aussi des compétences fonctionnelles exhibées par ces microorganismes. Les connaissances acquises grâce à la métagénomique shotgun vont au-delà de l'identification taxonomique, englobant des domaines tels que le contenu génétique, les voies métaboliques et les interactions potentielles au sein du microbiome complexe.

Vous pourriez être intéressé par notre article. Introduction à la métagénomique par shotgun, de l'échantillonnage à l'analyse des données.

Le processus de préparation de la bibliothèque et de séquençage des plateformes de séquençage de nouvelle génération. (Knief et al., 2014)

• Séquençage à lecture longue

L'avènement des technologies de séquençage à lecture longue, illustré par des plateformes telles que Pacific Biosciences (PacBio) et Oxford Nanopore, a conféré aux chercheurs une capacité sans précédent à générer de longues séquences d'ADN lors d'un unique événement de lecture. Cette avancée technologique est particulièrement pertinente dans l'assemblage de génomes microbiens complexes et la résolution des divergences génomiques qui émergent au sein des espèces. Le potentiel de séquençage à lecture longue s'étend à la découverte de espèces microbiennes et de sous-souches jusqu'alors inexplorées nichées au sein du microbiome des plantes, éclairant ainsi des dimensions de diversité qui avaient jusqu'alors échappé à l'examen.

• Défis et solutions en bioinformatique

En tandem avec ces méthodologies transformantes, il devient évident que la génération de copieuses ensembles de données pose des défis redoutables dans les domaines de analyse de données et d'interprétation. Le rôle central des outils de bioinformatique devient prononcé dans le contexte du traitement, de la dissection et de la représentation visuelle des paysages de données complexes qui émergent. Les chercheurs sont équipés d'un assortiment d'algorithmes et de pipelines de traitement de données, chacun dédié à des tâches telles que l'attribution taxonomique des séquences, la prédiction des gènes fonctionnels et la reconstruction minutieuse des génomes microbiens à partir de sources de données fragmentées. Ce paysage dynamique est encore enrichi par l'évolution des paradigmes d'apprentissage automatique et la confluence des stratégies d'intégration des données, qui permettent aux chercheurs de déchiffrer la tapisserie complexe des relations intégrées au sein du microbiome des plantes.

Le rôle des microorganismes symbiotiques dans les plantes

(i) Les microorganismes symbiotiques contribuent aux nutriments de l'hôte.

Les microorganismes qui vivent en symbiose dans les racines des plantes améliorent l'absorption des nutriments. Notamment, certaines bactéries, comme les types fixateurs d'azote, ammonifiants et nitrifiants, facilitent le transfert de l'azote de l'environnement vers la plante. De plus, les champignons agrégants favorisent la croissance de la plante en convertissant les nutriments minéraux en une forme accessible par oxydation et solubilisation.

(ii) Les microorganismes symbiotiques modifient les caractéristiques de croissance des plantes.

La présence de microorganismes symbiotiques peut modifier les attributs physiques des plantes. Des recherches récentes ont mis en évidence comment des bactéries colonisant les racines des plantes peuvent remodeler la morphologie des racines. Cela est réalisé en activant la voie de réponse à l'éthylène, influençant directement des caractéristiques telles que la longueur et le diamètre des racines, ainsi que le diamètre, le volume et la densité des racines latérales dans Arabidopsis thaliana.

(iii) Les microorganismes symbiotiques renforcent la résistance de l'hôte contre les pathogènes.

Lors des attaques de pathogènes, des communautés symbiotiques spécialisées des racines ou des feuilles sont recrutées grâce à une stratégie de "demande d'aide". Ces communautés aident à contrecarrer les invasions de pathogènes en tirant parti de l'antagonisme bactérien et en déclenchant des réponses immunitaires au sein de la plante hôte.

(iv) Interaction plante-microbiome : Réponses synergiques englobant l'ensemble du spectre fonctionnel.

Les processus de sélection mutuellement bénéfiques entre les plantes et leurs communautés associées conduisent au développement d'un mécanisme de réponse plus intégré aux changements environnementaux. Cette synergie forme une "unité fonctionnelle" cohésive qui s'adapte en tandem. Dans le contexte de la diversité variétale, le riz indica est capable de mobiliser des communautés distinctes pour améliorer l'absorption de l'azote. De plus, les communautés symbiotiques influencent de manière significative le développement de la résistance aux maladies du riz hybride.

Références :

1. Shelake, Rahul Mahadev, Dibyajyoti Pramanik et Jae-Yean Kim. "Exploration des interactions plante-microbe pour une agriculture durable à l'ère du CRISPR." Microorganismes 7,8 (2019) : 269.
2. Knief, Claudia. "Analyse des interactions plante-microbe à l'ère des technologies de séquençage de nouvelle génération." Frontiers in plant science 5 (2014) : 216.