Les microbes du sol se souviennent de la sécheresse et aident les plantes à survivre

« Les bactéries, les champignons et d’autres organismes vivant dans le sol peuvent en réalité avoir des effets importants sur des choses importantes, comme la séquestration du carbone, le mouvement des nutriments et ce qui nous intéresse particulièrement : les effets hérités sur les plantes », a déclaré la co-auteure Maggie Wagner, professeure agrégée d’écologie et de biologie évolutive à l’Université du Kansas.

« Nous nous sommes intéressés à cela parce que d’autres chercheurs, depuis des années, décrivent ce type de mémoire écologique des microbes du sol ayant une certaine façon de se souvenir du passé de leurs ancêtres », a-t-elle déclaré. « Nous avons pensé que c’était vraiment fascinant. Cela a de nombreuses implications importantes sur la façon dont nous pouvons cultiver des plantes, y compris des choses comme le maïs et le blé. Les précipitations elles-mêmes ont une grande influence sur la façon dont les plantes poussent, mais la mémoire des microbes vivant dans ces sols pourrait également jouer un rôle. »

Selon Wagner, des effets hérités du passé ont déjà été observés, mais les détails restent flous. Une vision plus claire pourrait éventuellement aider les agriculteurs et les entreprises de biotechnologie agricole qui cherchent à exploiter les microbes bénéfiques.

« Nous ne comprenons pas vraiment comment fonctionnent les effets d’héritage », a-t-elle déclaré. « Par exemple, quels microbes sont impliqués au niveau génétique, et comment cela fonctionne-t-il ? Quels gènes bactériens sont influencés ? Nous ne comprenons pas non plus comment cet héritage climatique se déplace à travers le sol jusqu’aux microbes, puis finalement jusqu’à la plante. »

L’équipe a échantillonné les sols de six localités du Kansas, s’étendant de la région orientale la plus humide jusqu’aux hautes plaines plus hautes et plus sèches de l’ouest, qui reçoivent moins de pluie en raison de l’ombre de pluie des montagnes Rocheuses. L’objectif était de comparer la manière dont les effets hérités variaient le long de ce gradient climatique.

« Il s’agissait d’une collaboration avec une équipe de l’Université de Nottingham en Angleterre », a déclaré Wagner. « Nous avons divisé le travail, mais la majeure partie de l’expérience – en fait, l’expérience entière – a été menée ici à KU, et nous nous sommes également concentrés sur les sols du Kansas pour ce travail. »

À la KU, Wagner et ses collègues ont évalué l’influence des communautés microbiennes de ces sols sur les plantes.

« Nous avons utilisé une sorte de technique à l’ancienne, en traitant les microbes comme une boîte noire », a-t-elle expliqué. « Nous avons cultivé la plante dans différentes communautés microbiennes avec différents souvenirs de sécheresse, puis avons mesuré les performances des plantes pour comprendre ce qui était bénéfique et ce qui ne l’était pas. »

Les chercheurs ont exposé les communautés microbiennes à beaucoup d’eau ou à une quantité très limitée d’eau pendant cinq mois afin de renforcer les histoires contrastées de disponibilité d’humidité.

« Même après plusieurs milliers de générations bactériennes, le souvenir de la sécheresse était toujours détectable », a déclaré Wagner. « L’un des aspects les plus intéressants que nous avons observés est que l’effet d’héritage microbien était beaucoup plus fort avec les plantes originaires de ces endroits précis que avec les plantes venues d’ailleurs et plantées pour des raisons agricoles mais qui n’étaient pas indigènes. »

Pour commencer à tester la manière dont l’identité végétale interagit avec l’héritage microbien, l’équipe a comparé une culture (maïs) avec une graminée indigène (gamagrass). Ils notent que des espèces supplémentaires seront nécessaires pour confirmer cette tendance, mais les premiers résultats suggèrent que les plantes indigènes pourraient s’aligner plus fortement sur les histoires microbiennes locales.

« Nous pensons que cela a quelque chose à voir avec l’histoire co-évolutive de ces plantes, ce qui signifie que sur de très longues périodes, la gamagrass a vécu avec ces communautés microbiennes exactes, mais pas le maïs », a-t-elle déclaré. « Le maïs a été domestiqué en Amérique centrale et n’est présent dans cette région que depuis quelques milliers d’années. »

Au-delà des performances des plantes, les chercheurs ont examiné l’activité des gènes chez les microbes et les plantes pour explorer les mécanismes potentiels à l’origine des effets hérités à l’échelle moléculaire.

« Le gène qui nous a le plus excité s’appelle la nicotianamine synthase », a déclaré Wagner. « Il produit une molécule principalement utile aux plantes pour acquérir le fer du sol, mais il a également été enregistré qu’elle influence la tolérance à la sécheresse chez certaines espèces. Dans notre analyse, la plante a exprimé ce gène dans des conditions de sécheresse, mais uniquement lorsqu’elle est cultivée avec des microbes ayant une mémoire de conditions sèches. La réponse de la plante à la sécheresse dépendait de la mémoire des microbes, que nous avons trouvée fascinante. « 

Wagner a noté que le gamagrass est considéré comme une source de gènes utiles pour améliorer le maïs sous stress.

« Le gène que j’ai mentionné plus tôt pourrait être intéressant », a-t-elle déclaré. « Pour les entreprises de biotechnologie axées sur l’ajout de microbes aux cultures, cela donne des indications sur les endroits où chercher des microbes dotés de propriétés bénéfiques. La commercialisation microbienne dans l’agriculture est une industrie multimilliardaire et toujours en croissance. »

Les collaborateurs de Wagner à la KU étaient les auteurs principaux Nichole Ginnan, maintenant de l’Université de Californie-Riverside, et Natalie Ford, maintenant de la Pennsylvania State University ; Valéria Custódio, David Gopaulchan, Dylan Jones, Darren Wells et Gabriel Castrillo de l’Université de Nottingham ; Isai Salas-González de l’Université nationale autonome de México ; et Ângela Moreno du ministère de l’Agriculture et de l’Environnement du Cap-Vert.

« L’une des choses qui rendent ce travail précieux est son caractère interdisciplinaire », a déclaré Wagner. « Nous avons réuni l’analyse génétique, la physiologie végétale et la microbiologie, ce qui nous a permis de poser et de répondre à des questions qui n’auraient pas pu être abordées auparavant. »

Ce travail a été financé par la Division des systèmes organisationnels intégrateurs de la National Science Foundation.