How white lupin can survive in soils with sparingly available phosphate: cluster root secretion physiology and plant microbe interactions

Au cours de l'évolution, les plantes ont développé différentes stratégies pour survivre sur les sols où le phosphate est peu disponible. L'une d'entre elles est la formation de structures racinaires particulières, que l'on appelle racines protéoïdes ou " cluster roots ". Presque toutes les plantes de la famille australienne des Protéacées développent ces racines, alors qu'on les observe seulement à titre d'exception chez les autres espèces. Le lupin blanc, Lupinus albus L., notre plante modèle, est une telle exception. Cette légumineuse annuelle est la seule espèce d'importance agronomique qui forme des racines protéoïdes. Les racines protéoïdes du lupin blanc sécrètent de grandes quantités d'acides organiques, surtout du citrate et du malate, et provoquent simultanément une acidification de la rhizosphère. Cette sécrétion et acidification se déroulent à un stade bien particulier du développement des racines protéoïdes, le stade " mature ". Dans le travail qui suit, nous avons étudié la sécrétion racinaire à différents stades de développement des racines protéoïdes du lupin blanc ainsi que l'influence de cette sécrétion racinaire sur la microflore rhizosphérique. Nous avons caractérisé les isoflavonoïdes produits et excrétés dans les racines protéoïdes en croissance. Les isoflavonoïdes les plus importants étaient la génistéine et l'hydroxygénistéine, ainsi que leurs conjugués glycosylés. Alors qu'aucun changement n'a pu être observé dans les contenus internes d'isoflavonoïdes durant le développement des racines protéoïdes, la sécrétion de ces composés, elle, variait en fonction du stade de développement, avec la plus forte sécrétion dans les jeunes racines et les racines prématures. Une modification importante de cette sécrétion d'isoflavonoïdes par les jeunes pousses de lupins a été observée lorsque les graines avaient germé en présence de bactéries ou de champignons. Cette réaction à la présence de micro-organismes lors de la germination était spécifique à la souche de bactérie ou de champignon utilisée. Nous avons également investigué l'impact de la sécrétion des racines protéoïdes du lupin sur les communautés microbiennes de la rhizosphère. Nos résultats ont montré que les communautés bactériennes étaient influencées par l'activité de sécrétion des racines protéoïdes : le stade mature des racines protéoïdes était caractérisé par une plus faible abondance de bactéries (cultivables et totales), ainsi qu'une moins grande richesse (profils DGGE). Environ 50 % des populations bactériennes isolées du stade mature des racines protéoïdes était capables de pousser sur des milieux à bas pH (4), alors que seuls 20 % des populations isolées du stade juvénile pouvaient faire de même, ce qui suggère que la baisse de pH qui se produit de manière temporaire dans la rhizosphère des racines protéoïdes matures pourrait être la cause de la baisse d'abondance bactérienne observée précisément à ce stade. En revanche, aucun effet inhibiteur des isoflavonoïdes excrétés par le lupin blanc n'a pu être observé in vitro sur la croissance des bactéries. Ces isoflavonoïdes ont provoqué une réaction uniquement chez certains champignons, dont la sporulation a été stimulée. Des activités de type PGPR (plant growth promoting rhizobacteria) ont aussi été testées sur les souches isolées de la rhizosphère des racines protéoïdes du lupin blanc et les résultats ont suggéré que la production d'auxine par les bactéries pourrait être impliquée dans la formation des racines protéoïdes. De plus, la fixation associative d'azote a été analysée par des méthodes de " fingerprinting " sur la base de fragments du gène nifH amplifié à partir des ADN et des ARN extraits de différents stades des racines protéoïdes. Aucune amplification n'a été observée pour les racines protéoïdes matures, alors que l'amplification a été possible pour les juvéniles et les sénescentes à partir d'ADN et également à partir d'ARN dans un cas, ce qui laisse penser que la fixation associative d'azote pourrait avoir lieu dans la rhizosphère des racines protéoïdes, en plus de la fixation symbiotique dans les nodules, qui se forment en général sur les racines non protéoïdes. Le phosphore est un des éléments majeurs qui limitent les rendements de l'agriculture dans bien des régions du monde et le lupin blanc pourrait être une plante prometteuse à cet égard, puisqu'il est capable à la fois d'acquérir le phosphate en produisant des racines protéoïdes et de fixer l'azote en association avec des bactéries symbiotiques. A l'issue de ce travail, nous avons acquis une compréhension plus approfondie du fonctionnement des racines protéoïdes et des interactions entre la plante et les micro-organismes de la rhizosphère. Ces connaissances pourront, je l'espère, être transférées du laboratoire à la situation concrète de la culture au champ

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2005 ; 1808