France
December 18, 2023
Like humans and animals, plants have a microbiota that shapes their health and thanks to which they assimilate nutrients from the soil. How is this microbiota assembled? Using an innovative approach, scientists at the Max Planck Institute and INRAE have discovered three genes essential for bacteria to colonise plants and live in and on plant roots. These genes are common to many root bacteria and are also present in those found in human or animal microbiota. This research, published in Nature Communications, sheds light on the formation of the plant microbiota that can be used to develop agroecological practices based on microbiotic functions.
© INRAE - Bertrand Nicolas
Like humans and animals, plants co-exist and interact with the millions of microorganisms, such as bacteria and fungi, that make up their microbiota, especially in their roots. Over the last 20 years, several studies have demonstrated the importance of microbiota in the growth and survival of a plant at all stages of its life. This microbiota plays a crucial role in the assimilation of nutrients and minerals in the soil. It also increases a plant’s tolerance to different types of stress and its resistance to disease. While scientists had an accurate view of microbiota structure, shortcomings in analytical tools prevented them from discovering the processes used by complex microbial communities to colonise roots.
Taking apart and building root microbiota
To accurately study the microbiota of plants, researchers used thale cress (Arabidopsis thaliana), a model plant in research. After isolating the plant’s microbiota, they cultivated and identified its different strains of bacteria and fungi. Building on this collection of microorganisms at the Max Planck Institute, the team reconstructed a simplified but representative microbiota that was then inoculated into thale cress grown in sterile conditions — and therefore devoid of microbiota — to study how the bacteria colonised the roots. Using advanced transcriptomic (gene expression) analysis, researchers found over 3,000 microbial genes active at the soil-root interface. They then studied the functions of these genes in greater detail.
Three genes essential for plant colonisation
By inactivating genes within a bacterium of this synthetic microbiota, the research team identified three essential genes that are conserved in the genomes of bacteria. If one of these genes is inactivated, bacteria are unable to colonise the roots. One gene regulates virulence in bacteria and their response to environmental stress. Another is active in the transport of compounds across the bacterial membrane. The third, in fact a set of four genes working together, allows the bacterium to measure phosphate levels in the environment and adapt its metabolism accordingly. Researchers believe that the three genes allow bacteria to adapt to very different environments, and therefore colonise living hosts. The genes are conserved in the many bacteria that have co-evolved with their host plants over millions of years. Researchers also point out that in addition to their presence in all the bacteria of the plant microbiota, these genes are used by other bacteria to colonise mammals.
These findings pave the way for new research to promote the abundance of bacteria that are beneficial to their host’s health, whether plant or animal. Thus, these results are a step forward in harnessing the power of microbiota for sustainable agriculture and health.
REFErence
Vannier N., Mesny F., Getzke F. et al. (2023). Genome-resolved metatranscriptomics reveals conserved root colonization determinants in a synthetic microbiota. Nat Commun 14, 8274, https://doi.org/10.1038/s41467-023-43688-z
Identification d'un ensemble de gènes bactériens essentiels pour coloniser les racines de plantes
Comme les humains ou les animaux, les plantes ont un microbiote qui influence leur santé et leur permet d’assimiler les nutriments du sol. Mais comment se forme ce microbiote ? Grâce à une approche expérimentale innovante, des scientifiques du Max Planck Institute et d’INRAE ont découvert 3 gènes indispensables aux bactéries pour coloniser les plantes et vivre dans et sur leurs racines. Ces gènes sont communs à de nombreuses bactéries des racines, et sont aussi présents chez celles qui composent le microbiote humain ou animal. Ces travaux, publiés dans Nature Communications, apportent une compréhension nouvelle sur la formation du microbiote des plantes, utile au développement d’une agroécologie tirant partie des fonctions du microbiote.
Tout comme les humains ou les animaux, les plantes vivent en interaction avec des millions de microorganismes (bactéries, champignons…) qui composent leur microbiote, notamment dans les racines. Au cours des 20 dernières années, de nombreuses études ont mis en évidence l'importance du microbiote pour la croissance et la survie des plantes à tous les stades de leur vie. Ce microbiote joue un rôle crucial dans l’assimilation des nutriments et minéraux du sol, renforce leur tolérance à différents stress et leur résistance aux maladies. Si les scientifiques ont une vision précise de la composition du microbiote, les limites techniques d’analyse empêchaient jusqu’à présent de savoir quels mécanismes sont utilisés par les microorganismes pour coloniser les racines.
Déconstruction et reconstruction du microbiote racinaire
Pour étudier avec précision le microbiote des plantes, les scientifiques ont utilisé l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana), une plante modèle en recherche. Ils ont isolé le microbiote de cette plante et ont cultivé et identifié les différentes souches de bactéries et de champignons qui le composent. En s’appuyant sur cette collection de microorganismes du Max Planck Institute, ils ont reconstitué un microbiote simplifié mais représentatif qu’ils ont ensuite inoculé à des arabettes cultivées en conditions stériles, et donc dépourvues de microbiote, pour étudier comment les bactéries colonisaient les racines. Grâce à des techniques avancées d’analyse transcriptomique (c’est-à-dire de l’expression des gènes), ils ont constaté que plus de 3 000 gènes étaient actifs à l’interface entre les racines et le sol. Ils ont par la suite étudié plus finement les fonctions de ces gènes.
3 gènes indispensables à la colonisation des plantes
En modifiant des gènes au sein d’une bactérie du microbiote, l’équipe de recherche a identifié 3 gènes indispensables qui sont conservés chez de nombreuses bactéries du microbiote des plantes. Si un de ces 3 gènes est inactivé, les bactéries sont incapables de coloniser les racines. Un des gènes régule la virulence des bactéries et leur réponse aux stress environnementaux. Le second est impliqué dans le transport de composés au travers de la membrane de la bactérie. Le dernier, qui est en fait un ensemble de 4 gènes fonctionnant de concert, permet à la bactérie de percevoir la concentration du phosphore dans l’environnement et d’adapter son métabolisme en conséquence. Ces 3 gènes permettraient aux bactéries de s’adapter à des environnements très différents, et donc de coloniser des hôtes vivants. Ces gènes sont conservés chez les nombreuses bactéries qui ont co-évolué pendant des millions d’années avec leurs plantes hôtes. En plus d’être communs aux bactéries qui composent le microbiote végétal, les scientifiques mentionnent également que ces gènes sont aussi utilisés par d’autres bactéries pour coloniser des mammifères.
Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles recherches pour favoriser les bactéries bénéfiques à la santé de leur hôte, qu’il soit végétal ou animal. Ils ouvrent de nouvelles perspectives non seulement pour l’agriculture durable mais aussi pour la santé.
Référence
Vannier N., Mesny F., Getzke F. et al. (2023). Genome-resolved metatranscriptomics reveals conserved root colonization determinants in a synthetic microbiota. Nat Commun 14, 8274, https://doi.org/10.1038/s41467-023-43688-z
Species
