Projet H2020 BIOFERTICELLULASER : Rôle des cellulases bactériennes dans la transition des endophytes libres aux endophytes racinaires dans les cultures de colza et dans la conception de biofertilisants efficaces
- Taper Projet
- État Rempli
- Exécution 2017 -2019
- Budget alloué 170.121,6 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement H2020
- Site Web du projet BIOFERTICELLULASER
Isolement d'endophytes de B. napus avec une activité PGP et la capacité de produire des enzymes hydrolytiques sur des composés cellulaires végétaux : Une collection d'endophytes bactériens de colza a été obtenue en combinant des milieux riches et minimaux pour isoler une large biodiversité d'endophytes bactériens. Les caractéristiques du PGP et la production d’enzymes hydrolytiques ont été évaluées in vitro dans tous les isolats bactériens, et toutes les souches ont été identifiées au niveau de l’espèce. La capacité des meilleurs isolats bactériens sélectionnés in vitro à favoriser la croissance des plantes a également été évaluée in planta.
Identification des gènes surexprimés lors de l'infection : La bactérie Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 a été identifiée comme l'un des meilleurs promoteurs de la croissance des plantes. Il a donc été sélectionné pour l’analyse transcriptomique de l’expression des gènes à la surface des racines. Un ensemble de gènes bactériens a été sélectionné comme potentiellement surexprimés lors de l’infection. Aucun ne correspondait à une cellulase bactérienne. L’hypothèse initiale du projet a donc été adaptée pour évaluer le rôle d’autres enzymes bactériennes dans l’interaction avec la plante. Nous nous sommes concentrés sur un gène surexprimé codant pour une N-carbamoyl putrescine amidase, impliquée dans la biosynthèse des polyamines.
Isolement des souches mutantes : nous avons utilisé l'édition du génome CRISPR/Cas pour inactiver le gène codant pour la N-carbamoyl putrescine amidase dans P. brassicacearum CDVBN10.
Etude des phénotypes symbiotiques des souches dérivées de mutants : Nous avons étudié le phénotype symbiotique du mutant KO de la N-carbamoyl putrescine amidase dans la colonisation des racines, la fixation des racines, les déformations des poils racinaires et l'infection des racines. Nous venons de détecter un phénotype mutant distinct dans les déformations des poils racinaires : le WT induit une déformation des poils racinaires chez B. napus, tandis que la souche mutante présente des niveaux de déformations des poils racinaires comparables au témoin non inoculé. Le phénotype est récupéré avec l'ajout de putrescine.
Analyse du rôle de la N-carbamoyl putrescine amidase dans l'efficacité du PGP : Nous avons comparé la capacité des souches WT et mutantes à favoriser la croissance des plantes et à induire une résistance des plantes au stress biotique (phytopathogène Phoma lingam) et abiotique (salinité), en observant une altération significative du mutant dans ces capacités. Les phénotypes sont récupérés avec l'ajout de putrescine.
Analyse de l'efficacité de l'endophyte bactérien PGP P. brassicacearum CDVBN10 dans l'infection des graines de colza et l'augmentation des rendements des cultures : P. brassicacearum CDVBN10 a été testé dans des conditions de terrain comme biofertilisant pour les graines de colza. Le genre Pseudomonas était l’un des taxons dominants dans les plantes inoculées, ce qui indique l’efficacité de la bactérie à s’établir comme endophyte racinaire sur le terrain. De plus, la taille des plantes et la production de graines semblent augmenter de manière significative dans les plantes inoculées, démontrant son efficacité en tant que biofertilisant bactérien pour ces cultures.
Selon la FAO, d’ici 2050, la planète comptera 2,3 milliards de personnes supplémentaires, qui devront produire davantage de nourriture tout en luttant contre la pauvreté et la faim, en utilisant plus efficacement les ressources naturelles rares et en s’adaptant au changement climatique.
Les engrais chimiques augmentent les rendements des cultures, mais ils ont des effets négatifs sur la santé humaine et animale, ainsi que sur l’environnement. La productivité des plantes peut être améliorée grâce à l’activité des bactéries favorisant la croissance des plantes (PGB), des bactéries naturelles capables de moduler la croissance des plantes grâce à leurs activités métaboliques. Cependant, à l’exception des souches rhizobiques appliquées aux cultures de légumineuses, la plupart des biofertilisants conçus à partir d’études in vitro échouent lorsqu’ils sont appliqués sur le terrain. Cet échec pourrait être dû au fait qu'une fois appliquées au sol, les bactéries PGP sélectionnées in vitro doivent rivaliser avec une grande variété de micro-organismes présents dans le sol et s'adapter aux différentes conditions abiotiques de chaque environnement (plage de température, périodes d'eau/sécheresse, etc.). Ce fait accroît l'intérêt pour le potentiel PGP des endophytes bactériens (ces bactéries capables de pénétrer dans l'endorhize (intérieur de la racine)), car, une fois à l'intérieur de la plante, elles n'ont pas besoin de rivaliser avec la population dense de bactéries de la rhizosphère et sont protégées des conditions abiotiques extrêmes. Cependant, la colonisation endophyte, en dehors des interactions bien étudiées entre les rhizobiums et les légumineuses, n’est pas bien comprise. En apportant plus de lumière sur les mécanismes par lesquels les endophytes pénètrent activement dans les racines, on pourra probablement réaliser des avancées majeures dans la sélection intelligente de souches bactériennes pouvant agir comme biofertilisants efficaces dans les cultures non légumineuses.
Brassica napus L. (colza) est une culture importante en raison de sa culture non seulement comme ressource alimentaire (humaine et animale), mais aussi pour la production de biodiesel. En Europe, les graines de B. napus sont la principale source d’huile pour la production de biodiesel. Cependant, la culture du colza nécessite des quantités importantes d’engrais chimiques et, par conséquent, des alternatives qui réduisent la fertilisation chimique pour une culture plus durable sont hautement souhaitables. Cela implique l’utilisation de biofertilisants, qui comprennent des bactéries endophytes PGP.
Les objectifs de ce projet étaient donc :
- Isolement des endophytes PGP de B. napus
- Identification des gènes surexprimés lors du processus d'infection.
- Isolement de souches mutantes dans les gènes codant pour la cellulase.
- Etude des phénotypes symbiotiques des souches mutantes dérivées.
- Analyse du rôle des cellulases bactériennes dans l'efficacité du PGP.
- Analyse de l'efficacité de bactéries sélectionnées pour infecter le colza et augmenter le rendement des cultures.
L’un des principaux défis de l’humanité dans les décennies à venir sera d’accroître la production alimentaire en exploitant les ressources rares et en protégeant l’environnement, ce qui en fait l’une des priorités du programme européen Horizon 2020. La productivité des plantes peut être améliorée grâce à l’activité des bactéries favorisant la croissance des plantes (PGB), appliquées dans les champs agricoles comme biofertilisants ou probiotiques, constituant un moyen respectueux de l’environnement d’augmenter les rendements des cultures. Les biofertilisants sont utilisés en agriculture depuis des décennies, mais dans de nombreux cas, les bactéries qui ont montré un grand potentiel en tant que PGP dans des conditions de laboratoire échouent lorsqu'elles sont appliquées aux sols naturels, probablement parce qu'elles sont surclassées par les populations microbiennes du sol indigène ou parce qu'elles ne peuvent pas s'adapter aux nouvelles conditions environnementales.
D'après le modèle Rhizobium-trèfle, les cellulases bactériennes sont connues pour être cruciales pour l'entrée bactérienne dans la racine. Cependant, l’implication de ces enzymes dans l’entrée active des endophytes bactériens dans les cultures non légumineuses n’a pas encore été étudiée. Ce projet vise à étudier, en utilisant une approche transcriptomique et l'isolement de souches d'endophytes mutantes, le rôle des cellulases dans la capacité des endophytes à pénétrer les racines des plantes non légumineuses, en utilisant le colza (B. napus) comme plante modèle. Si les gènes codant pour les cellulases permettent une infection active des racines, avec un avantage sur les mécanismes passifs, la sélection des souches bactériennes non seulement en fonction de leur capacité PGP, mais aussi de leur capacité à pénétrer la plante – où elles ont moins de concurrents et sont protégées du stress abiotique – permettra la conception de biofertilisants bactériens plus efficaces. L’objectif ultime de ce projet est de jeter les bases du développement d’engrais biologiques à base microbienne qui réduiront, voire élimineront, l’utilisation d’engrais chimiques (qui sont dangereux pour la santé humaine et l’environnement, et contribuent au changement climatique), tout en maintenant ou en augmentant la production agricole.
Dans ce projet, nous démontrons que l'endophyte bactérien du colza Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 est un engrais bactérien efficace pour le colza dans des conditions de laboratoire et de terrain et, en outre, induit une résistance des plantes aux conditions de stress biotique et abiotique.
De plus, sur la base de la transcriptomique des bactéries à la surface des racines, nous avons découvert que le gène codant pour une N-carbamoyl putrescine amidase, une enzyme impliquée dans la biosynthèse des polyamines, était significativement surexprimé, indiquant un rôle pertinent possible dans l'interaction avec la plante. La construction d'une souche dérivée d'un mutant knockout a montré comment le gène joue un rôle pertinent dans la capacité de la bactérie à favoriser la croissance de B. napus et à induire sa résistance aux conditions de stress abiotique (saline) et à l'attaque de champignons phytopathogènes (Phoma lingam). À notre connaissance, il s’agit du premier rapport sur l’effet de la suppression d’un gène impliqué dans la synthèse des polyamines dans une bactérie favorisant la croissance des plantes sur sa capacité à favoriser la croissance des plantes et à induire une résistance au stress.
Le projet s’appuie donc sur les connaissances existantes sur les interactions entre les plantes non légumineuses et les bactéries PGP, ce qui est nécessaire pour une conception plus efficace des engrais bactériens. De plus, le projet démontre le grand potentiel de la souche Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 comme biofertilisant pour les cultures de colza, ce qui réduirait l'utilisation d'engrais chimiques dans cette culture, avec un impact positif significatif sur l'environnement et la santé des consommateurs.
- UNIVERSIDAD DE SALAMANCA (USAL)
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