Pathogènes et symbiotes des plantes

Question 1

Dickeya dadantii : bactérie nécrotrophe

Answer 1

Nature et hôtes :
Dickeya dadantii est une bactérie nécrotrophe, c’est-à-dire qu’elle tue les cellules végétales pour se nourrir de leurs tissus morts. Elle est capable d’infecter un large spectre d’hôtes, incluant divers végétaux et même certains arthropodes comme les pucerons [[42]].

Maladie associée :
Elle est responsable de la maladie appelée « pourriture molle », caractérisée par la dégradation des tissus végétaux, entraînant des lésions molles et décomposées sur les plantes infectées [[42]].

Facteurs de pathogénèse essentiels :
- Pectinases : Dickeya dadantii produit un grand nombre d’enzymes pectinases, qui dégradent la pectine, un composant important de la paroi cellulaire des plantes. Cette dégradation permet la destruction des tissus végétaux, facilitant la pénétration et la propagation de la bactérie dans la plante. Ces enzymes sont donc des facteurs majeurs de sa virulence [[42]].

• Capture du fer : Le fer est un élément essentiel pour la croissance bactérienne, mais souvent limité dans l’environnement. Dickeya dadantii possède des mécanismes pour capter efficacement le fer, ce qui lui permet de survivre et de se développer dans le milieu extérieur et à l’intérieur de la plante [[42]].
• Capteurs de quorum : La bactérie utilise des systèmes de détection de la densité cellulaire, appelés capteurs de quorum, pour réguler l’expression de ses gènes de virulence. Cela signifie que la bactérie ajuste son comportement (par exemple, la production de toxines ou d’enzymes) en fonction du nombre de bactéries présentes, optimisant ainsi l’infection [[42]].
• Perception du milieu extérieur et régulateurs : Dickeya dadantii est capable de percevoir les signaux de son environnement (conditions physico-chimiques, présence de la plante, etc.) et de réguler en conséquence l’expression de ses gènes, ce qui lui permet d’adapter son infection aux conditions rencontrées [[42]].
• Production de toxines : En plus des enzymes dégradant la paroi, la bactérie produit des toxines qui contribuent à la destruction des tissus et facilitent la progression de la maladie [[42]].

Cycle d’infection et interaction avec les arthropodes :
Dickeya dadantii peut interagir avec des arthropodes (comme les pucerons) qui peuvent jouer un rôle dans la dissémination et le cycle d’infection de la bactérie. Cette interaction complexe entre bactéries et arthropodes est encore un sujet de recherche, comme indiqué par les liens vers des ressources sur ce thème [[43]].

En résumé, Dickeya dadantii est une bactérie capable de causer des dégâts importants aux plantes grâce à un arsenal de facteurs de virulence (enzymes pectinases, toxines), une stratégie de communication cellulaire (quorum sensing), et une capacité à s’adapter à l’environnement. Son large spectre d’hôtes et son interaction avec des vecteurs arthropodes la rendent particulièrement efficace comme pathogène de la pourriture molle [[42]], [[43]].

Question 2

Pseudomonas syringae pv. syringae : bactérie biotrophe et réponse hypersensible

Answer 2

• Type de bactérie : Pseudomonas syringae pv. syringae est une bactérie biotrophe, ce qui signifie qu’elle vit en tirant ses nutriments des cellules vivantes de la plante hôte, sans immédiatement les tuer (contrairement à une bactérie nécrotrophe qui détruit les tissus).
• Réponse hypersensible (HR) :
  
  • C’est une réaction de défense rapide et localisée de la plante lorsqu’elle détecte la présence d’un pathogène spécifique.
  • Cette réponse provoque la mort rapide des cellules végétales à l’endroit de l’infection, ce qui limite la propagation de la bactérie.
• Expériences avec différentes souches :
  
  • Souche sauvage 9020 (virulente) : induit la réponse hypersensible sur la plante hôte (haricot) et aussi sur une plante non hôte (tabac). Cela montre que certains gènes spécifiques sont actifs et nécessaires pour déclencher cette réponse.
  • Souche mutante 9021 (non virulente) : possède un gène avr muté (gène d’avirulence) et n’induit pas la réponse hypersensible ni sur la plante hôte ni sur la plante non hôte. Cela indique que le gène avr est essentiel pour que la plante reconnaisse la bactérie et déclenche la HR.
  • Souche mutante 9024 (non virulente) : possède un gène vir muté (gène de virulence) mais induit quand même la réponse hypersensible sur les deux types de plantes. Cela suggère que le gène vir est impliqué dans la virulence mais pas directement dans le déclenchement de la HR.
• Interprétation de ces résultats :
  
  • Le gène avr (aviruence) code pour un facteur reconnu par la plante, ce qui déclenche la réponse hypersensible.
  • Le gène vir (virulence) est nécessaire à la capacité de la bactérie à causer une maladie, mais sa mutation empêche la maladie sans empêcher la reconnaissance par la plante.
• Conclusion biologique :
  
  • La réponse hypersensible est un mécanisme de défense qui repose sur la reconnaissance spécifique d’effecteurs bactériens (comme ceux codés par les gènes avr) par la plante.
  • Cette reconnaissance déclenche une mort cellulaire programmée localisée qui empêche la propagation du pathogène.
  • Ce mécanisme explique comment certaines plantes peuvent être résistantes à certaines souches de bactéries.
• Note humoristique :
  
  • Il est mentionné que « Fumer nuit gravement à la santé… même des bactéries ! » ce qui est une remarque humoristique soulignant que la santé (ici des bactéries) peut être affectée par des facteurs extérieurs, bien que ce soit hors sujet microbiologique direct [[44]].

Question 3

Agrobacterium tumefaciens : la galle du collet

Caractéristiques générales

Answer 3

• Agrobacterium tumefaciens est une a-protéobactérie appartenant à la famille des rhizobiaceae.
• Elle est capable d’infecter un large éventail de plantes, mais uniquement si la plante présente une blessure (porte d’entrée).
• Cette bactérie porte souvent un plasmide particulier appelé plasmide Ti (Tumor Inducing), qui contient les gènes nécessaires à la virulence, c’est-à-dire à la capacité de provoquer la maladie (la tumeur appelée galle du collet).
• Les gènes de virulence sur ce plasmide sont essentiels pour causer la maladie, mais pas pour la survie de la bactérie elle-même [[48]].

Question 4

Agrobacterium tumefaciens : la galle du collet

Processus d’infection

Answer 4

1. Présence dans la rhizosphère
   
   • A. tumefaciens vit dans le sol à proximité des racines, pouvant croître sur des substrats du sol ou des composés relargués par la plante.
   • Il est important de noter que 90% des A. tumefaciens ne possèdent pas le plasmide Ti initialement [[48]], [[54]].
2. Attraction chimiotactique vers la blessure
   
   • La bactérie est attirée chimiotactiquement vers la blessure grâce à ses flagelles, en réponse à certains composés chimiques : monosaccharides, pH acide, phénols.
   • Chez les A. tumefaciens portant le plasmide Ti, le chimiotactisme est renforcé par la reconnaissance spécifique de phénols additionnels, notamment l’acétosyringone, un composé phénolique reconnu à très faible concentration (10^-7 M).
   • Lorsque l’acétosyringone atteint une concentration plus élevée (10^-4 M), il active l’expression de nombreux gènes du plasmide Ti impliqués dans la coordination de l’infection [[49]].
3. Adhésion aux cellules végétales
   
   • Après avoir atteint la blessure, la bactérie s’adhère aux cellules végétales.
4. Synthèse d’une endonucléase et excision de l’ADNt
   
   • La bactérie synthétise une endonucléase qui excise un fragment spécifique du plasmide Ti appelé ADNt (ADN de tumeur).
   • Cet ADNt est la partie de l’ADN qui va être transférée dans la cellule végétale [[50]].
5. Transfert de l’ADNt dans la cellule végétale
   
   • Le transfert de l’ADNt s’effectue par un mécanisme de conjugaison hétérospécifique (transfert d’ADN entre espèces différentes).
   • Ce transfert nécessite des capteurs de quorum (pour détecter la densité bactérienne), des hormones de la plante, et la présence d’acétosyringone.
   • Une fois transféré, l’ADNt s’intègre dans un chromosome de la cellule végétale [[50]].
6. Expression des gènes de l’ADNt dans la plante
   
   • Les gènes de l’ADNt codent pour :
     
     • Des hormones végétales (auxines et cytokinines) qui provoquent une division cellulaire anarchique et la formation d’une tumeur (la galle du collet).
     • Des molécules nutritives spécifiques appelées opines (comme la nopaline et l’agrocinopine), qui sont synthétisées par la plante mais utilisées exclusivement par la bactérie [[51]], [[52]].
7. Rôle des opines
   
   • Les opines sont des dérivés d’acides aminés et sucres assemblés en molécules complexes.
   • La bactérie possède les gènes de synthèse des opines sur l’ADNt et les gènes de dégradation (catabolisme) sur le plasmide Ti.
   • Ces molécules représentent une source exclusive de carbone, d’azote et de phosphore pour A. tumefaciens et permettent d’éviter la concurrence avec d’autres micro-organismes [[52]].
8. Organisation génétique du plasmide Ti
   
   • Le plasmide Ti (exemple majeur pTi C58) contient plusieurs régions codant :
     
     • Pour la synthèse des hormones (auxines, cytokinines).
     • Pour la synthèse et le catabolisme des opines.
     • Pour le transfert conjugatif de l’ensemble du plasmide et de l’ADNt [[53]].
9. Conjugaison et transmission du plasmide Ti
   
   • Bien que la majorité des A. tumefaciens n’aient pas le plasmide Ti, elles peuvent l’acquérir par conjugaison, ce qui leur permet ensuite d’infecter les plantes et d’utiliser les opines comme source nutritive [[54]].

Question 5

Agrobacterium tumefaciens : la galle du collet

Lutte naturelle contre A. tumefaciens

Answer 5

• Une méthode naturelle utilisée depuis 1973 consiste à épandre Agrobacterium radiobacter, une bactérie qui possède un plasmide pAGK84 codant pour :
  
  • La synthèse d’une bactériocine appelée agrocine 84, un analogue de l’adénine qui inhibe la réplication d’A. tumefaciens.
  • Le catabolisme de la nopaline, lui permettant de consommer les opines produites par la plante infectée [[55]].
• L’agrocine pénètre A. tumefaciens via le transporteur d’agrocinopine et détruit la bactérie, ce qui empêche l’apparition de la galle du collet.
• Ainsi, l’épandage de A. radiobacter juste après la plantation empêche le développement de la maladie [[55]].

Question 6

Agrobacterium tumefaciens : la galle du collet

Utilisation biotechnologique et biotechnologique

Answer 6

• Le plasmide Ti est à la base de la production de plantes génétiquement modifiées (OGM).
• En effet, on peut désarmer le plasmide Ti (le modifier pour qu’il ne provoque plus la galle) et l’utiliser comme vecteur pour insérer des gènes d’intérêt dans la plante.
• Des exemples d’applications entre 1994 et 1998 incluent :
  
  • Amélioration de la saveur et de la durée de vie des tomates.
  • Modification de la texture de la chair des tomates.
  • Insertion de gènes de toxines insecticides naturelles (ex : Bacillus thuringiensis) pour protéger tomates, coton et maïs.
  • Insertion de gènes de résistance aux herbicides (comme le glyphosate) dans des plantes comme le soja et le coton [[56]].

En résumé :
Agrobacterium tumefaciens utilise un mécanisme sophistiqué basé sur un plasmide Ti pour transférer de l’ADN dans la plante, provoquant une tumeur (galle du collet) et produisant des molécules spécifiques (opines) qu’elle seule peut utiliser comme nourriture. Ce mécanisme naturel a été exploité pour créer des outils biotechnologiques puissants pour la production de plantes génétiquement modifiées [[48] à [56]].

Question 7

Sinorhizobium meliloti : la fixation de l’azote (détails)

Answer 7

1. Nature et rôle de la bactérie
   
   • Sinorhizobium meliloti est une a-protéobactérie appartenant à la famille des rhizobiaceae.
   • Elle est symbiotique avec certaines plantes légumineuses, comme la luzerne ou le soja, et son rôle principal est de fixer l’azote atmosphérique (N₂) en ammoniaque (NH₃).
   • Cette fixation rend la plante moins dépendante du sol pour son apport en azote, un nutriment essentiel à sa croissance.
2. Génétique et plasmide Sym
   
   • La bactérie possède un plasmide appelé plasmide Sym (Symbiosis) qui contient de nombreux gènes nécessaires à la symbiose.
   • Ces gènes sont essentiels pour le processus de symbiose mais pas pour la survie de la bactérie en dehors de la plante.
   • On note qu’environ 90% des S. meliloti n’ont pas ce plasmide, mais elles peuvent le récupérer par conjugaison, ce qui leur permet d’acquérir la capacité symbiotique [[57]].
3. Processus de symbiose
   Le processus comporte plusieurs étapes clés :
   • a. Présence dans la rhizosphère
     La bactérie vit dans le sol autour des racines (rhizosphère) et peut utiliser des substrats provenant du sol ou des molécules sécrétées par la plante pour sa croissance.
   • b. Reconnaissance spécifique plante/bactérie
     
     • La plante produit des flavonoïdes (phénols) spécifiques à l’espèce, qui sont détectés par S. meliloti uniquement si c’est la bonne espèce de plante.
     • En réponse, la bactérie synthétise des facteurs Nod (nodulation), qui sont des signaux reconnus par la plante.
     • Cette reconnaissance mutuelle assure la spécificité de la symbiose [[58]].
   • c. Adhésion et interaction moléculaire
     
     • La bactérie exprime des rhicadhésines (molécules d’adhésion sur sa membrane) et la plante exprime des lectines (molécules réceptrices sur sa membrane).
     • Ces interactions permettent l’adhésion et le début des modifications cellulaires dans la plante, notamment la division cellulaire au niveau du poil racinaire qui s’incurve autour des bactéries [[58]].
   • d. Entrée et multiplication dans la plante
     
     • La bactérie pénètre dans les racines via endocytose (phagocytose-like) dans les cellules végétales.
     • Elle se multiplie à l’intérieur et se différencie en bactéroïdes, une forme plus grosse (7 fois plus grande) spécialisée, qui ne peut plus redevenir une bactérie libre [[59]], [[60]].
   • e. Formation du nodule
     
     • La multiplication cellulaire végétale forme un nodule racinaire, un organe spécialisé pour héberger les bactéries.
     • Ce nodule est relié au phloème et au xylème de la plante pour assurer une nutrition importante des bactéries, notamment en carbone et en énergie (ATP) [[60]].
4. Fonction de la fixation d’azote
   
   • Les bactéroïdes synthétisent l’enzyme nitrogénase qui convertit l’azote moléculaire (N₂) en ammoniac (NH₃), forme assimilable par la plante.
   • Cette réaction est énergétiquement coûteuse : elle nécessite 16 molécules d’ATP et doit absolument se faire en absence d’oxygène, car la nitrogénase est très sensible à l’O₂ [[61]].
5. Gestion de l’oxygène dans le nodule
   
   • Il y a une contradiction majeure : la bactérie a besoin d’oxygène pour produire de l’ATP via la respiration, mais l’O₂ détruit la nitrogénase.
   • Solutions mises en place :
     
     • La plante et la bactérie produisent ensemble la léghemoglobine (LegHb), une protéine similaire à l’hémoglobine des animaux, qui fixe l’oxygène et le maintient à une concentration basse mais suffisante.
       
       • La plante fabrique la partie protéique de LegHb.
       • La bactérie fabrique la partie hème (groupe prosthétique) [[61]].
     • Le cortex du nodule limite physiquement l’entrée d’oxygène.
     • L’oxygène entre uniquement par l’apex du nodule à faible concentration et est rapidement capté par la LegHb.
     • Cette organisation permet à la bactérie de fonctionner en microaérobie, c’est-à-dire avec une faible concentration en oxygène compatible avec la fixation d’azote [[61]].

En résumé
Sinorhizobium meliloti établit une symbiose très spécifique avec certaines légumineuses, où la bactérie est reconnue, pénètre dans la plante, forme un nodule et fixe l’azote atmosphérique en ammoniaque pour la plante. Cette relation est rendue possible par une fine régulation moléculaire et physiologique, notamment la gestion précise de l’oxygène via la léghemoglobine, permettant ainsi à la nitrogénase de fonctionner efficacement.