Diversification du maïs et symbiose associative avec la rhizobactérie Pseudomonas fluorescens – SymbioMaize

Un système expérimental permettant de cultiver en condition axénique 15 lignées de maïs différentes et d’en récolter les exsudats a été développé. Diverses méthodes chromatographiques permettront d’analyser la composition des exsudats. Leur capacité ou non à induire l’expression de gènes bactériens sera étudiée in vitro avec des systèmes rapporteurs fluorescents. Ces résultats seront ensuite validés par des expériences d’inoculation en pot d’une souche modèle sur maïs.

Nous avons montré que l’adaptation du maïs à des conditions climatiques tempérées, au cours de sa domestication, a été accompagnée de changements majeurs de sa physiologie et, en particulier, de son métabolisme secondaire. Ceci a eu des conséquences sur sa capacité d’interaction avec des bactéries symbiotiques du sol. La présence dans les racines de certains métabolites secondaires identifiés dans ce projet pourrait servir d’outil pour la sélection variétale de maïs les plus aptes à bénéficier des populations symbiotiques du sol, et permettre ainsi une réduction de l’utilisation des engrais.

En permettant de mieux comprendre l'importance de la diversification du maïs sur son interaction avec des bactéries du sol, ce projet devrait permettre de fournir de nouvelles pistes de réflexion vis-à-vis de la sélection variétale des maïs cultivés sous climat tempéré. L’utilisation de variétés plus adaptées aux bactéries du sol permettrait de limiter la consommation excessive d’eau et d’engrais utilisée pour cette culture.

Vacheron, J., E. Combes-Meynet, V. Walker, B. Gouesnard, D. Muller, Y. Moënne-Loccoz, C. Prigent-Combaret (2016) Expression on roots and contribution to maize phytostimulation of 1-aminocyclopropane-1-decarboxylate deaminase gene acdS in Pseudomonas fluorescens F113. Plant Soil. 407:187–202.
Vacheron, J., Y. Moënne-Loccoz, A. Dubost, M. Gonçalves-Martins, D. Muller, C. Prigent-Combaret (2016) Fluorescent Pseudomonas strains with only few plant-beneficial properties are favored in the maize rhizosphere. Front Plant Sci.7:1212.
Vacheron, J., G. Desbrosses, M.-L. Bouffaud, B. Touraine, Y. Moënne-Loccoz, D. Muller, L. Legendre, F. Wisniewski-Dyé, and C. Prigent-Combaret. 2013. Plant growth-promoting rhizobacteria and root system functioning. Frontiers in Plant Science 4:356.

L’efficacité des symbioses associatives entre les céréales et les bactéries rhizosphériques stimulatrices de la croissance des plantes (PGPR) dépend du génotype des 2 partenaires, mais les traits fonctionnels responsables de ces différences sont encore mal connus. Ceci est particulièrement vrai du côté du partenaire végétal, même si le rôle potentiel des exsudats racinaires a souvent été mis en avant. La diversification des céréales a conduit à d’importantes modifications de leurs propriétés physiologiques, probablement de la composition de leurs exsudats, et in fine de leurs interactions avec des PGPR. Aussi, nous faisons l'hypothèse qu’en prenant en compte la structure génétique des céréales, on pourrait mieux comprendre les différences de fonctionnement des symbioses associatives PGPR-céréales. Ce projet s’intéresse à cette question en considérant l’interaction entre le maïs et des PGPR de l’espèce Pseudomonas fluorescens, que l’on trouve de façon ubiquiste en association avec les racines des céréales. Le maïs a été domestiqué au Mexique à partir de la téosinte, il y a 9000 ans. Il a ensuite été introduit et cultivé en Amérique, puis en Europe à partir du 16ème siècle. Au cours de ce processus, le maïs s’est diversifié et adapté à différents types de sols, conditions climatiques, et systèmes de culture. Il a également rencontré différentes populations bactériennes, notamment des PGPR de l’espèce P. fluorescens. La dissémination et la diversification du maïs ont conduit à la formation de 5 groupes génétiques principaux. Ainsi, l’objectif général du projet SymbioMaize est de déterminer si l’appartenance des lignées de maïs à un de ces groupes génétiques est un facteur déterminant leur capacité à interagir avec une PGPR. Ceci sera réalisé en utilisant une collection de 15 lignées de maïs et la PGPR modèle P. fluorescens F113. Cette PGPR est capable de stimuler la croissance du maïs, les deux propriétés phytobénéfiques importantes de cette PGPR étant l’activité 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) désaminase (AcdS), et la production de 2,4-diacétylphloroglucinol (DAPG), une molécule signal stimulant la rhizogénèse. Premièrement, les exsudats racinaires de chacune des 15 lignées de maïs seront caractérisés chimiquement. Deuxièmement, l'impact des exsudats sur l'expression des gènes phytobénéfiques acdS (activité ACC désaminase) et phlD (biosynthèse de DAPG) sera analysé in vitro et lors de la colonisation du système racinaire. Troisièmement, la réponse de chacune des lignées de maïs à l'inoculation par la souche F113 sera analysée en terme (i) de développement et de croissance du maïs, et (ii) de contenu racinaire en métabolites (benzoxazines) marqueurs de l’interaction avec des PGPR. Quatrièmement, des mutants acdS et phlD de F113 seront utilisés pour évaluer si ces déterminants contribuent à l’effet phytostimulateur de cette PGPR sur les lignées de maïs qui lui répondent le mieux. Ainsi, ce projet devrait permettre d’évaluer si l’appartenance d’une lignée de maïs à un groupe génétique particulier détermine la composition de ses exsudats racinaires, la capacité de ces derniers à déclencher l'expression de gènes phytobénéfiques chez la PGPR, ainsi que la capacité de la lignée à bénéficier de la PGPR et de ses activités phytobénéfiques. Globalement, ce projet permettra d’obtenir une meilleure compréhension du fonctionnement de la symbiose associative maïs-PGPR, et de l’importance de la diversification du maïs sur cette interaction. Il devrait également permettre d’identifier le (ou les) groupe(s) génétique (s) de maïs qui interagisse(nt) le plus efficacement avec des PGPR du type F113, ainsi que d’apporter de nouvelles pistes de réflexion vis-à-vis de la sélection variétale des maïs. Pour mener à bien ce projet, un partenariat interdisciplinaire alliant des expertises dans les domaines de l'écologie microbienne, des interactions plante-microorganisme, de la métabolomique végétale et de la génétique du maïs, a été réuni.