video: Sorghum anthracnose devastates crops of the drought- and heat-resistant cereal worldwide. Priming with rhizobacteria can boost the plant's resistance against a range of microbial attacks.
Professor Ian Dubery and Dr. Fidele Tugizimana from the University of Johannesburg's Centre for Plant Metabolomics decoded how priming enhances the 'security system' of plants for a much stronger, faster defense.
Using metabolomics and machine learning algorithms, they identified changes in the sorghum plant's chemical response to fungal attack. The low-cost approach can counter other pathogens in economically important food crops.
Credit: Therese van Wyk, University of Johannesburg.
L'anthracnose du Sorghum bicolor détruit les cultures de céréales naturellement résistantes à la sécheresse et à la chaleur dans le monde entier. L'utilisation des rhizobactéries peut renforcer la résistance des plantes face à diverses attaques microbiennes.
Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont décodé comment la pré-conditionnement ou la stimulation du système immunitaire renforce le "système de sécurité" des plantes pour une défense beaucoup plus puissante et rapide.
À l'aide de la métabolomique et d'algorithmes d'apprentissage automatique, ils ont identifié des changements amplifiés dans les défenses naturelles du sorgho à une attaque fongique.
Cet approche peu coûteuse et plus respectueuse de l'environnement peut être utilisée pour lutter contre d'autres agents pathogènes dans les cultures vivrières économiquement importantes.
Mode opératoire fongique
L'agent pathogène fongique Colletotrichum sublineolum se faufile de plusieurs façons dans son hôte. Il peut trainer des années dans le sol, sur des matières végétales en décomposition ou sur un équipement ou un instrument de laboratoire. Il est actif dès les premières pluies dans des conditions humides et chaudes.
Cet agent pathogène fongique pénètre dans les stomates ou les « bouches d'aération » de la plante et ne détruit rien dans un premier temps. Au contraire, sa priorité est de se multiplier à l'intérieur de la plante. À ce stade, il se nourrit de la plante sans causer de dommages visibles à l'agriculteur.
Mais une fois que cet agent pathogène fongique, C. sublineolum, a véritablement envahi son hôte, il passe du simple parasite indésirable à un destructeur dévastateur.
Comme si un commutateur avait été changé, il commence à démolir les supports structurels et les cellules de la plante. De cette façon, le champignon nourrit son appétit vorace et se prépare à procréer.
A ce stade, la maladie dévastatrice devient visible à l'extérieur de la plante. L'anthracnose du sorgho, ou maladie du flétrissement, provoque des taches sur les feuilles et les tiges. Les taches se développent en lésions pouvant recouvrir complètement les feuilles.
La plante envahie n'a aucune chance.
A moins que des bactéries 'amicales' aient déjà fait équipe avec la plante, préalablement. Une interaction mutuelle plante-bactérie peut activer et renforcer le « système de sécurité » d'une plante, qui devient plus sensible, rapide et suffisamment fort, et peut repousser les invasions fongiques.
L'anthracnose du sorgho est causée par le champignon Colletotrichum sublineolum, ou champignon CS. Celui-ci est un prédateur difficile, comme le sont la plupart des champignons. Il est spécialisé dans l'attaque des plantes de sorgho de tout âge, mais parfois, il attaque les plantes plus proches de la récolte. Quand il attaque, il peut détruire des champs entiers du grain, avec des pertes de rendement pouvant atteindre 70% ou plus.
Faire face au climat
« À l'ère du changement climatique, nous nous attendons à de plus longues périodes de sécheresse et de chaleur excessive. Les plantes cultivées devront également produire lors d'inondations intermittentes et plus graves. Il est temps d'adapter la culture de nos plantes aux conditions environnementales actuelles et émergentes », déclare le professeur Ian Dubery. Il est directeur du centre de recherche sur la métabolomique des plantes à l'Université de Johannesburg en Afrique du Sud.
Cinquième céréale dans le monde
Le Sorghum bicolor est l'espèce de sorgho principalement cultivée pour la production commerciale ou de subsistance. Il est indigène en Afrique et utilisé dans de nombreux pays pour l'alimentation, le fourrage et les biocarburants.
En volume annuel, il s'agit de la cinquième plus grande récolte de céréales au monde. Le sorgho est la clé de la sécurité alimentaire pour les agriculteurs de subsistance produisant le grain.
Cette culture est connue sous le nom de grand mil et de maïs de Guinée en Afrique de l'Ouest, de blé dur au Soudan, de mtama en Afrique de l'Est, de jowar en Inde et de gaoliang en Chine; selon la FAO, il est généralement appelé milo ou milo-maïs aux États-Unis. Les autres noms incluent feterita, jwari, shallu, cholam, jola, dari et solam.
Certaines variétés sont très résistantes à la sécheresse et à la chaleur.
Défenses coûteuses
Certaines variétés de Sorghum bicolor sont plus résistantes au champignon CS que d'autres. Cependant, les variétés les plus productives ont tendance à moins résister au champignon CS. De plus, l'activation et l'exercice de cette résistance ont un prix - pour la plante et l'agriculteur.
Plus le sorgho doit s'efforcer de renforcer ses défenses naturelles, moins il produira de graines. Il est peut-être capable de se défendre pour garder des feuilles et des tiges saines, mais il peut finir par produire un rendement de récolte beaucoup moins élevé. Il peut même mourir dans le processus.
En outre, la pulvérisation de fongicides est coûteuse et peut affecter l'environnement. Un moyen plus durable de protéger le sorgho à un moindre coût écologique serait donc préférable.
Stimulation de la défense naturelle
Stimuler les plantes de sorgho avec des bactéries amicales autour de leurs racines peut rendre leurs feuilles plus résistantes aux attaques du champignon CS. Les biofertilisants contenant ces rhizobactéries sont utilisés commercialement pour le sorgho et d'autres cultures.
Dans l'industrie, ces bactéries sont dénommées « rhizobactéries promotrices de la croissance des plantes » ou RPCP. Les semences peuvent être recouvertes de biofertilisants, et le sol ou les plantes peut être pulvérisées avec.
Mais on ne savait pas comment et pourquoi la stimulation des défenses naturelles des plantes permettait de vaincre des agents pathogènes tels que le champignon CS sur les cultures de céréales.
La métabolomique végétale décode un système de sécurité plus renforcé et fort
Pr. Ian Dubery et Dr. Fidele Tugizimana ont décodé comment et pourquoi la stimulation des défenses naturelles des végétaux avec des rhizobactéries est efficace sur Sorghum bicolor. Tugizimana est un chercheur associé au centre de recherche métabolomique.
« Les plants de sorgho et les rhizobactéries qui les ont sensibilisés s'associent pour que le ' système de sécurité ' de la plante soit en état d'alerte. Il agit également plus rapidement et avec une réponse plus forte contre le champignon attaquant », déclare Dubery.
Sans attaques fongiques, les bactéries vivant dans la rhizosphère (la zone autour des racines de la plante) aident la plante de nombreuses façons. À titre d'exemple, elles facilitent la digestion des nutriments tels que les phosphates par la plante ; et fixer l'azote au sol pour le rendre plus fertile.
À son tour, la plante aide les bactéries en libérant les produits chimiques dont elles ont besoin.
Pour la paix et la guerre
Ces chercheurs de l'Université de Johannesburg ont planté une variété de sorgho dans des plateaux dans leur laboratoire. Après que les plantes aient atteint une hauteur de 30 cm, ils ont appliqué les rhizobactéries sur les racines pour amorcer les plantes. Ces bactéries vivent dans le sol, près des racines des plantes, appelées rhizosphère. La plante produit des métabolites et les envoie dans la rhizosphère pour que les bactéries puissent les utiliser.
En premier étape, les chercheurs voulaient découvrir comment les « communications chimiques » se déroulent entre les rhizobactéries et les plantes en bonne santé. Ils ont analysé les métabolites synthétisés par la plante dans ses feuilles, ses tiges et ses racines, ainsi que le sol inoculé de bactéries dans la rhizosphère.
À partir de cela, ils pouvaient se faire une idée de la façon dont les racines et les bactéries se « parlent ». Ils ont également décodé comment les racines, les tiges et les feuilles se « dialoguent » pour renforcer la relation bénéfique avec la bactérie.
Cela leur a donné la « signature » métabolomique d'une plante saine apprêtée avec des rhizobactéries.
L'autre moitié des plantes qu'ils ont infectées par le champignon CS a permis de voir à quel point cela affecterait cette variété de sorgho. De nouveau, ils ont analysé les « cocktails » métaboliques dans les feuilles, les tiges, les racines et le sol inoculé de bactéries. Cela leur a donné la signature métabolomique d'une plante infectée.
Analyse de données volumineuses
Les chercheurs mentionnés ci-dessus ont répété tout le processus pour la même variété de sorgho, à une exception près. Ils n'ont pas amorcé les racines avec des bactéries. Ils pouvaient maintenant voir à quel point la « réponse de sécurité » était plus faible sans être amorcée, stimulée par les rhizobactéries.
Toutes ces analyses biochimiques ont généré une énorme quantité de données complexes, de plus de 200 giga-octets en volume. Pour donner un sens à tout cela, ils ont eu recours à l'analyse de données volumineuses, qui est un processus complexe d'examiner et d'extraire des informations à partir de grands ensembles de données complexes ou 'big data'.
Dans ce processus, des techniques telles que l'apprentissage automatique, la chimiométrie, les analyses statistiques multivariées et les méthodes mathématiques ont été utilisées. De cette façon, les chercheurs pouvaient extraire les informations, de sorte que des conclusions et des hypothèses plus précises puissent être tirées et formulées avec confiance et une certitude mathématique.
Changements dans la défense moléculaire, renforcement des défenses naturelles
Maintenant, les scientifiques de l'Université de Johannesburg pouvaient voir quels nouveaux « cocktails » métabolomique les plantes de sorgho avaient produits pour se défendre ; et comment ces cocktails étaient plus diversifiés et concentrés, en raison de l'amorçage, en comparaison avec des plantes en bonne santé.
Les chercheurs ont également pu voir quels nouveaux « ingrédients de cocktail » les plantes stimulées avaient préparées pour les utiliser lorsqu'elles étaient attaquées par le champignon CS.
Un à trois jours après l'infection par le champignon, les plantes pré-conditionnées (c.-à-d. stimulées par les rhizobactéries) ont produit des quantités d'hormones végétales (c.-à-d. phytohormones) plusieurs fois supérieures à celles des plantes non-sensibilisées, en particulier l'acide hydroxyjasmonique-glucoside et la zéatine.
Les plantes apprêtées ont également synthétisé des quantités importantes des acides aminés tyrosine et hydroxy-tryptophane, que les plantes non-apprêtées ont produits en quantités infimes. Les plantes stimulées par les bactéries ont également produit plus de trois fois plus de tryptophane que d'habitude.
Dans le même temps, les plantes apprêtées ont intensifié la production de lipides, en particulier de phytosphingosine. Les plantes non-apprêtées ont produit des fractions minuscules des lipides en comparaison.
Les plantes traitées avec des rhizobactéries n'ont pas eu besoin de produire en grande quantité les molécules antifongiques telles que des (iso) flavonoïdes, en particulier d'apigénine et de lutéoline.
Décoder le système de sécurité
« Nous avons constaté que les plantes de sorgho traitées avec des rhizobactéries possèdent un système de sécurité plus sensible. Elles activent ces systèmes plus tôt qu'elles ne le feraient sans amorçage. Les plantes apprêtées ont également mieux répondu aux attaques fongiques. Elles présentaient des taux d'infection beaucoup plus bas et un développement de symptômes réduit par rapport aux plantes non-stimulées par les rhizobactéries », déclare Tugizimana.
Même neuf jours après l'infection par le champignon CS, peu de plants de sorgho apprêtés présentaient des symptômes d'anthracnose. Celles qui avaient des symptômes avaient peu de feuilles atteintes. Les lésions pourraient être décrites comme une réponse hypersensible localisée. Aucune des lésions ne se propage sur toute la surface de la feuille, ajoute-t-il.
Les scientifiques de l'Université de Johannesburg ont découvert comment la plante était capable de se défendre grâce à des analyses métabolomiques.
« Nous avons découvert comment l'interaction des bactéries bénéfiques avec les racines du sorgho modifie la capacité de la plante à se défendre. La plante de sorgho, préparée et immunisée par des rhizobactéries, change la façon dont elle répartit l'énergie et redirige davantage ses voies métaboliques vers la défense plutôt que vers la croissance ou la production de semences. De cette façon, la plante modifie et synchronise la composition de ses molécules défensives et protectrices pour résister au champignon. C'est ainsi qu'elle commence à créer de nouveaux « cocktails » pour renforcer ses défenses moléculaires et biochimiques », a déclaré Tugizimana.
« Le sorgho apprêté est plus sensible aux attaques fongiques, réagit plus rapidement et plus intensément. Nous pouvons donc affirmer que les bactéries bénéfiques pour les plantes aident la plante à se défendre plus efficacement », ajoute-t-il.
Approche durable à faible coût et plus respectueuse de l'environnement pour l'agriculture
Les résultats ouvrent la voie à des études similaires sur la lutte contre les agents pathogènes sur d'autres plantes cultivées économiquement importantes, dit Dubery.
« La stimulation avec des rhizobactéries peut rendre une plante sensible plus tolérante et une plante tolérante plus résistante aux attaques microbiennes. Cela signifie que l'amorçage, ou le pré-conditionnement, peut améliorer les rendements et réduire l'utilisation de pesticides. C'est une option prometteuse, durable et peu coûteuse d'obtenir une résistance plus efficace dans des conditions agricoles réelles, où de nombreux agents pathogènes menacent les cultures vivrières », ajoute-t-il.
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Journal
Metabolites