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Posté par Adrien le Mercredi 06/06/2018 à 00:00
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 (La symbiose est une association intime et durable entre deux organismes hétérospécifiques (espèces différentes), parfois plus. Les organismes sont qualifiés de symbiotes, ou, plus...) elle a été perdue de multiple fois au cours de l'évolution, suggérant une fragilité (La fragilité est l'état d'une substance qui se fracture lorsqu'on lui impose des contraintes mécaniques ou qu'on lui fait subir des déformations brutales...) encore méconnue de cette association.


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 (En phylogénie, un ancêtre commun à plusieurs espèces est l'individu le plus proche dans le temps dont descendent toutes les espèces en question. Par exemple, l'homme et le chimpanzé ont un ancêtre...) 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 (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) 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

L'ajout d'engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments d'éléments nutritifs, de façon à améliorer leur...) azoté représente un des coûts, écologique et économique, les plus importants de la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La...) de céréales. Au contraire, les légumineuses comme le haricot ou le soja (Le soja, ou soya, est une plante grimpante de la famille des Fabacées, du genre Glycine (à ne pas confondre avec la glycine, Wisteria sp.),...) obtiennent l'azote dont elles ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois...) via des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart 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 (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) en une forme chimique utilisable par les plantes, un processus appelé fixation de l'azote qui a lieu au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) 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 (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de...), 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 (La pomme est le fruit du pommier, arbre fruitier largement cultivé. L'étude de la culture des pommes constitue une partie de la pomologie, la pomologie englobant...) ou la fraise. Au centre de cette analyse, on retrouve un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique (ARN)...), 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 (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de...) 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 (Le mot monde peut désigner :) 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.

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Source: CNRS-INSB