Les scientifiques découvrent comment les légumineuses donnent de l’oxygène aux bactéries symbiotiques dans leurs racines

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Les scientifiques découvrent la génétique à l’intérieur des légumineuses qui contrôle la production d’une molécule transportant l’oxygène, cruciale pour les relations étroites de la plante avec les bactéries fixatrices d’azote. Cette découverte offre le potentiel de donner à d’autres plantes la capacité de produire de l’ammoniac à partir de bactéries, ce qui réduit le besoin d’appliquer des engrais synthétiques aux cultures, qui dépendent des combustibles fossiles et polluent.


Léghémoglobine de soja complexée avec le nicotinate. © Domaine public, WIKIPEDIA.

Les racines des légumineuses abritent des bactéries symbiotiques. Ces bactéries peuvent fixer l’azote de l’air, le transformant en ammoniac, un nutriment essentiel pour les plantes. En retour, les plantes abritent les bactéries dans les nodules racinaires, fournissant des sucres et de l’oxygène. La quantité d’oxygène doit être juste pour soutenir la symbiose, les bactéries ont besoin d’oxygène pour alimenter leurs réactions chimiques, mais trop inhibe une enzyme clé qui transforme l’azote de l’air en ammoniac qui peut être utilisé par la plante. La solution de la plante à ce «paradoxe de l’oxygène de la fixation biologique de l’azote» est une molécule appelée léghémoglobine. Comme l’hémoglobine qui transporte l’oxygène dans notre sang, la léghémoglobine se lie à l’oxygène et est rouge; il donne aux nodules de légumineuses leur couleur rose. Jusqu’à présent, on ne savait pas comment les plantes contrôlent la quantité de cette molécule produite.

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L’équipe de recherche a identifié deux facteurs de transcription qui contrôlent la quantité de léghémoglobine produite dans les nodules de légumineuses. Cela donne un aperçu clé de la façon dont les légumineuses créent l’environnement microaérobie nécessaire à la fixation de l’azote. Cette connaissance pourrait être utile pour améliorer la fixation de l’azote dans les légumineuses et serait essentielle pour le transfert de la nodulation vers les cultures non légumineuses, explique l’auteur correspondant, Dr Jeremy Murray, chef de groupe CEPAMS.

Le Dr Jeremy Murray poursuit: «Bien que de nombreux gènes impliqués dans d’autres processus de nodulation aient été identifiés, il s’agit de la première percée sur le réseau de régulation des gènes impliqué directement dans le contrôle de la fixation de l’azote». La recherche a été menée par une équipe collaborative, dirigée par le Dr Suyu Jiang dans le groupe du Dr Jeremy Murray au Centre d’excellence CAS-JIC pour les sciences végétales et microbiennes (CEPAMS), Centre d’excellence en sciences moléculaires des plantes (CEMPS), Académie chinoise des sciences, Shanghai, Chine, avec la collaboration du Dr Pascal Gamas et du Dr Marie-Françoise Jardinaud au LIPME (Université de Toulouse, France).

À l’aide de la légumineuse modèle, Medicago truncatula, l’équipe de recherche a examiné une famille de protéines chez les plantes qui comprend plusieurs membres jouant un rôle dans la nodulation. Ils ont examiné quelles protéines de cette classe sont produites dans les nodules logeant la symbiose et ont découvert qu’il y en avait deux, NIN et NLP2, et que lorsqu’elles sont inactives, la fixation de l’azote est réduite. Cela suggère qu’ils sont impliqués dans la fixation de l’azote. Pour approfondir leurs recherches, ils ont fait pousser des plantes dans un système aéroponique, sans sol, pour pouvoir observer les nodules, et ont découvert que les plantes dépourvues de NIN et de NLP2 étaient de plus petite taille et avaient des nodules plus petits et moins roses.

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En y regardant de plus près, ils avaient des niveaux plus bas de leghémoglobine. D’autres expériences ont montré que NIN et NLP2 activent directement l’expression des gènes de la léghémoglobine.  Ce projet de recherche était purement motivé par la curiosité, tout ce que nous savions au départ était que le facteur de transcription que nous étudiions était fortement et spécifiquement exprimé dans les cellules fixatrices d’azote, nous n’étions initialement au courant d’aucun lien avec les léghémoglobines, reflète le Dr Murray.

La recherche a également permis de mieux comprendre l’évolution de cette importante symbiose. Ils ont découvert que d’autres membres de la famille des facteurs de transcription régulent la production d’hémoglobines non symbiotiques trouvées dans les plantes, qui sont impliquées dans la réponse des plantes aux faibles niveaux d’oxygène. Jeremy explique plus loin: “C’était passionnant car cela suggère que ces facteurs de transcription et leurs cibles d’hémoglobine ont été recrutés pour la nodulation en tant que modules pour aider à améliorer l’énergétique des cellules fixatrices d’azote, donnant un rare aperçu de l’évolution de cette symbiose.”

L’étude NIN-like protein transcription factors regulate leghemoglobin genes in legume nodules paraît dans Science.

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