Projet ANR-12-ADAP-0014 – SHAPE : Design de nouveaux rhizobia par évolution expérimentale: vers une compréhension de l'adaptation des bactéries à l'environnement plante
Programme : Adaptation - des gènes aux populations.Génétique et biologie de l'adaptation aux stress et aux perturbations (BIOADAPT)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame CATHERINE MASSON (Laboratoire des Interactions Plantes Micro-organismes)
Partenaires : Institut de Génomique; Laboratoire des Interactions Plantes Micro-Organismes; Génétique des Génomes
Montant : 500000.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Vers le design de nouveaux symbiotes fixateurs d'azoteElucider comment la capacité à établir une symbiose avec des légumineuses a été acquise par de nouvelles branches taxonomiques bactériennes au travers d'une expérience d'évolution en laboratoire devrait permettre de développer le savoir-faire nécessaire au design de nouveaux symbiotes végétaux.
Elucider les mécanismes adaptatifs conduisant à la symbiose rhizobium-légumineusesContrairement aux céréales et à la plupart des plantes cultivées, les légumineuses ne nécessitent pas l'apport d'engrais azotés pour leur croissance grâce à leur association avec des bactéries fixatrices d'azote appelées rhizobia. La symbiose se décline en quatre étapes majeures: formation des nodules, infection et maintenance des bactéries et fixation d'azote. De récentes avancées scientifiques ont renouvelé l'espoir d’ingénierie de céréales fixatrices d'azote. Le transfert aux céréales de la capacité à établir une symbiose fixatrice d'azote nécessite cependant une meilleure compréhension de certaines étapes clés de la symbiose comme la compétition pour la nodulation, l'infection intracellulaire, la persistance des bactéroides et la fixation d'azote ainsi que le design de partenaires symbiotiques adaptés à de nouvelles plantes. Le projet SHAPE a pour but d'élucider les mécanismes adaptatifs conduisant à la symbiose et de développer des stratégies pour designer de nouveaux rhizobia adaptés à de nouvelles plantes.
Couplage évolution expérimentale/ NGS /phénotypage haute résolution Le projet va exploiter le matériel biologique précédemment généré au cours d' une expérience d'évolution en laboratoire d'un pathogène de plante -Ralstonia solanacearum- en symbiote de légumineuse (au sens premier «qui vit avec«). L'évolution des traits phénotypiques -incluant compétitivité pour la nodulation, qualité et persistance de l'infection- au cours du temps sera analysé en utilisant du phénotypage haute-résolution aux niveaux cellulaire, transcriptomique et métabolique.  Des stratégies expérimentales pour faire émerger des Ralstonia fixateurs d'azote, une caractéristique non obtenue au cours de l'expérience, seront explorées. Les changements génomiques et les mécanismes qui sous-tendent le processus adaptatif seront analysés par séquençage (technologie Illumina) et reconstruction génétique.
Résumé de la soumission : L’accroissement de la population mondiale et les menaces environnementales appellent de façon urgente une baisse des intrants (pesticides et fertilisants) traditionnels et la conception de produits innovants, plus respectueux de l’environnement. Les interactions plantes-microorganismes, pathogènes ou symbiotiques (mutualistes), ont un impact majeur sur le développement et la santé des plantes. Des avancées récentes dans la compréhension de ces interactions ouvrent des perspectives novatrices dans le contexte d’une agriculture durable. Comprendre comment ces interactions biotiques s’adaptent aux changements climatiques d’origine naturelle ou anthropique est également crucial pour la préservation sur le  long terme des agro- et des écosystèmes.Contrairement à la majorité des plantes cultivées, les légumineuses ne nécessitent pas l’apport d’engrais azotés pour leur croissance, car elles sont capables d’établir une symbiose avec des bactéries fixatrices d’azote appelées rhizobia. Cette symbiose  comporte 4 étapes principales: infection des tissus racinaires et formation des nodules, infection des cellules du nodule par les bactéries, persistance des bactéries dans les cellules végétales, fixation d’azote. Des progrès spectaculaires ont été réalisés ces dernières années dans la compréhension des mécanismes moléculaires qui régissent la nodulation et les étapes précoces de l’infection. Ces avancées ont déclenché un regain d’espoir pour le défi majeur que constitue la fixation d’azote par les céréales, à la condition de progresser également dans la compréhension des autres étapes symbiotiques. La bio-ingénierie de céréales nodulantes requerra également le design, en parallèle, de partenaires symbiotiques capables de s’adapter à ces nouveaux hôtes végétaux. SHAPE s’inscrit dans cette double problématique et vise à :- étudier, au niveau bactérien, les mécanismes adaptatifs conduisant à l’établissement d’une relation symbiotique  avec une légumineuse ;- établir le cadre théorique et expérimental nécessaire à la conception  de nouveaux rhizobia SHAPE est basé sur une approche d’évolution expérimentale qui, couplée aux techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS), constitue un outil puissant pour étudier l’adaptation des organismes à leur environnement. Nous avons initié cette approche au cours d’un précédent projet ANR appelé SYMPA qui a établi le système expérimental – à savoir la conversion d’un pathogène de plante,  Ralstonia solanacearum, en symbiote de légumineuse (Mimosa)-, généré des clones et populations bactériens évolués sous pression de sélection de la plante, et fait émerger de nouvelles questions de recherche qui vont être explorées dans le projet SHAPE.  SHAPE analysera l’évolution des caractères phénotypiques au cours de l’expérience et évaluera leur contribution au spectaculaire gain de fitness observé entre les clones bactériens ancestraux et finaux. SHAPE analysera le nombre élevé de mutations concomitant à l‘expérience d’évolution afin de dégager les mécanismes adaptatifs et évolutifs sous-jacents.  SHAPE s’attachera à caractériser un phénomène très original de mutabilité transitoire mis en évidence au cours de l’expérience d’évolution expérimentale. Enfin, SHAPE s’attachera à définir les stratégies expérimentales permettant de faire émerger des clones de Ralstonia fixateurs d’azote. Trois partenaires experts en biologie des symbioses rhizobium-légumineuses, bioinformatique et génomique évolutive contribueront au projet. Une durée de 4 ans est nécessaire.SHAPE est pionnier dans l’utilisation du couplage évolution expérimentale-NGS pour l’analyse d’interactions complexes plantes-microorganismes. SHAPE vise de façon générale à décrire les stratégies d’adaptation des génomes bactériens aux contraintes de l’environnement et à faire émerger des stratégies innovantes pour l’amélioration de bactéries associées aux plantes dans une  perspective d’agriculture durable et de préservation de l’environnement.
Résultats : Le projet vient de démarrer.
Perspectives : Bien que développé dans le contexte de la symbiose rhizobium-légumineuses, les connaissances acquises au travers du projet SHAPE devraient bénéficier à la compréhension des interactions plantes-microbes en général, ainsi que fournir des informations sur la façon dont les génomes bactériens évoluent sous contrainte environnementale et comment façonner des bactéries associées aux plantes avec des caractéristiques bénéfiques dans une perspective d'agriculture durable.
Publications et brevets : -