28 Août Le sol répond aux plantes

Apprendre à déchiffrer leur langage pourrait aider à faire pousser de meilleures cultures ou augmenter la production de médicaments à base de plantes.

Plant de tomate aux racines séparées en deux. Un changement des microbes présents dans le sol A affecte les sécrétions des racines du sol B

Les plantes « parlent » au sol : en sécrétant différentes substances par leurs racines, elles affectent la composition microbienne du sol. Une étude récente menée par des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences a révélé que l’inverse est également vrai. En d’autres termes, le sol répond aux plantes : les microbes qu’il contient affectent le métabolisme des plantes et la sécrétion des différentes molécules provenant de leurs racines. Ces découvertes, publiées dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), pourraient aider les scientifiques à déchiffrer le langage de communication sol-plantes et à améliorer la production de substances médicinales dérivées des plantes.

La mince couche de sol autour des racines des plantes grouille de millions de microorganismes, ce qui en fait l’un des écosystèmes les plus complexe sur Terre. Afin de déterminer si la composition de ce « microbiome racinaire » déclenche des changements au sein de la plante, le docteur Elisa Korenblum, en postdoctorat, et d’autres membres d’une équipe dirigée par le professeur Asaph Aharoni du département sciences environnementales et botanique de l’Institut Weizmann des Sciences, ont créé une installation hydroponique dans laquelle ils séparent les racines de plants de tomates en deux. Au cours d’une série d’expériences, les chercheurs ont placé une moitié des racines dans des flacons, diluant progressivement le sol mis en suspension (A). Chaque dilution altérait la composition microbienne du sol et réduisait la diversité de la communauté microbienne ; ainsi, les différentes suspensions finissaient par contenir des microbiomes racinaires avec des niveaux de diversité faibles, moyens et élevés. L’autre partie des racines était immergée dans un flacon contenant une solution pure dépourvue de sol (B).

Le professeur Asaph Aharoni et docteur Elisa Korenblum

Si les microbes du sol communiquent avec la plante, des signaux devraient être détectés des deux côtés du système racinaire. Et c’est exactement ce que les scientifiques ont constaté.

Au bout d’une semaine, l’équipe a utilisé une spectrométrie de masse à haute-résolution pour analyser les substances sécrétées par les racines du côté pur (B) ; ils ont découvert que ces sécrétions changeaient selon la composition et la diversité microbienne du sol présent de l’autre côté, celui avec impuretés (A). Ainsi, la présence d’une grande quantité de bactéries du genre Bacillus dans la suspension de sol (A) a entraîné une augmentation de la production de sucres de types acyles – substances collantes capable de piéger des insectes – dans les racines du côté pur (B) bien qu’elles n’aient pas été en contact avec ces bactéries. En fait, la composition microbienne du sol affecte le métabolisme de la plante tout entière, modifiant les niveaux et la distribution de plus de 170 métabolites, ainsi que l’expression de différents gènes dans les tissus des pousses et des racines.

« Nous avons montré que les signaux provenant des microbes du sol voyagent via une ligne de communication longue distance au sein de la plante, reprogrammant son métabolisme et modifiant finalement les sécrétions de ses racines, » dit le professeur Aharoni. « Ces sécrétions peuvent favoriser la colonisation par des bactéries bénéfiques du sol environnant.».

Une des racines d’un plant de tomate. Une photographie en noir et blanc à gauche et une analyse obtenue par spectrométrie de masse à droite représentant la concentration et la localisation des différents composés chimiques (représentés par différentes couleurs) qui permet d’évaluer les sécrétions racinaires

Cherchant à établir comment les signaux induits par les microbes se propagent dans toute la plante, les scientifiques se sont concentrés sur l’acide azélaïque – un composé organique qui joue un rôle dans la réponse défensive des plantes – comme molécule de signalisation potentielle. Après avoir ajouté de l’acide azélaïque dans le sol d’un côté des racines de tomates (A), ils ont retrouvé plus tard des molécules de cet acide de l’autre côté, du côté pur (B). Ils ont également détecté des changements dans les sécrétions racinaires, provoquées par l’acide.

« Notre objectif final est de déchiffrer le langage chimique – qu’on pourrait appeler le « plantois » – utilisé par les plantes et le sol pour communiquer, » dit le docteur Korenblum. « L’acide azélaïque est probablement un des « mots » de ce langage. ».

Les sécrétions racinaires – qui utilisent environ 50% de toute l’énergie produite par photosynthèse de la plante – peuvent renforcer les défenses de la plante et faciliter ses apports en nutriments, entre autres fonctions vitales. Une meilleure compréhension de la façon dont les microbes du sol affectent ces sécrétions pourrait permettre aux scientifiques de les manipuler à la demande, aidant la plante en conditionnant de façon bénéfique l’environnement de ses racines.

En outre, ces manipulations pourraient stimuler la production de substances dérivées des plantes utilisées dans les industries pharmaceutiques et cosmétiques entre-autre. Les scientifiques de l’Institut Weizmann ont par exemple déjà montré qu’en modifiant l’environnement chimique des racines, ils parvenaient, en laboratoire, à augmenter les sécrétions de substances combattant le cancer comme le paclitaxel (TAXOL) et les vinca-alcaloïdes.

Les docteurs Yonghui Dong, Jedrzej Szymanski, Sayantan Panda, Adam Jozwiak, Hassan Massalha, Sagit Meir et Ilana Rogachev ont également participé à cette étude.

(de gauche à droite) Les docteurs Sagit Meir, Elisa Korenblum, Yonghui Dong, Ilana Rogachev, Adam Jozwiak et le professeur Asaph Aharoni

Le professeur Asaph Aharoni est le directeur du Centre pour la biologie métabolique de la famille Vera et John Schwartz. Ses recherches sont également financées par le fonds Benoziyo pour les avancées scientifiques, l’Institut Henry Chanoch Krenter pour l’imagerie biomédicale et la génomique, le Centre canadien Mary et Tom Beck pour la recherche sur les énergies alternatives, le Prix André Deloro, le Centre bio-informatique Tom et Sondra Rykoff pour la botanique, David E. et Sheri Stone, Dana et Yossie Hollander, la fondation de la famille Sklare, le fonds pour la recherche sur le cannabis, le projet Yotam, la succession Helen Nichunsky, la succession Emile Mimran et la succession Betty Weneser. Le professeur Aharoni est détenteur de la chaire professorale Peter J. Cohn.