Les légumineuses prospèrent dans des environnements à faible teneur en azote grâce à leur association avec des rhizobies, des bactéries du sol qui transforment l’azote atmosphérique en ammonium, une forme utilisable par les plantes. Ces bactéries bénéfiques se logent dans des nodules racinaires formés sur les racines des légumineuses. Cependant, la formation incontrôlée de nombreux nodules peut entraver le fonctionnement des racines. Pour éviter cela, les légumineuses doivent réguler la répartition et le nombre de ces nodules, bien que les mécanismes précis de cette régulation aient longtemps été flous.
Des recherches récentes sur Lotus japonicus, une plante légumineuse modèle, ont révélé que l’interaction entre les racines des légumineuses et les rhizobies est marquée par une expression génique périodique avec un rythme de six heures. Ce rythme d’expression génique influence les zones des racines susceptibles à l’infection par les rhizobies ainsi que la distribution des nodules. Il a également été découvert que l’hormone végétale cytokinine joue un rôle crucial dans le maintien de ce rythme d’expression génique. Cette étude révolutionnaire, publiée dans Science, est le fruit d’une collaboration entre l’Institut National de Biologie Fondamentale, l’Institut de Science et Technologie de Nara, l’Université de Hokkaido, l’Université Kwansei Gakuin, RIKEN et l’Université de l’Éducation d’Aichi.
Lors de l’infection par les rhizobies, les cellules épidermiques des racines forment des filaments d’infection, des structures tubulaires membranaires qui guident les bactéries vers les tissus internes de la racine où elles peuvent fixer l’azote. L’infection par les rhizobies se produit principalement dans une zone étroite juste derrière l’extrémité de la racine, connue sous le nom de région susceptible. La génération continue de cellules à l’extrémité de la racine crée perpétuellement de nouvelles régions susceptibles. Idéalement, les filaments d’infection devraient être répartis uniformément sur toute la racine. Cependant, une analyse plus approfondie révèle un schéma de filaments d’infection densément formés alternant avec des régions plus clairsemées, suggérant des réponses intermittentes plutôt que continues aux rhizobies. Des études détaillées sur la réponse dynamique des racines aux rhizobies au fil du temps ont fait défaut.
En utilisant l’imagerie en direct par luminescence avec la luciférase comme rapporteur, l’équipe de recherche a observé que l’expression du gène NSP1, rapidement induite en réponse aux rhizobies et essentielle au processus d’infection, présentait des motifs oscillatoires à des intervalles d’environ six heures dans la région susceptible. À mesure que la racine se développait, de nouveaux sites d’expression apparaissaient apicalement par rapport aux régions d’oscillation précédentes. « Nous avons remarqué que ces régions d’oscillation coïncident avec des zones où les filaments d’infection sont densément formés, ce qui nous a amenés à penser que cette expression génique rythmique pourrait être liée à la détermination des sites de formation des nodules, » a déclaré le Dr. Takashi Soyano, professeur associé à l’Institut National de Biologie Fondamentale et membre de l’équipe de recherche. En accord avec cette idée, une grande population de nodules racinaires s’est formée dans la région d’oscillation, suggérant un lien entre l’expression génique rythmique et la formation des nodules. D’autres gènes essentiels aux premières réponses lors de la symbiose des nodules ont également montré des motifs d’expression oscillatoires, marquant la première preuve d’une expression génique périodique en réponse aux rhizobies.
La cytokinine, un régulateur clé dans la symbiose des nodules racinaires, maintient cette expression génique oscillatoire. Les gènes liés à la biosynthèse, au métabolisme et à la signalisation de la cytokinine ont montré une expression oscillatoire après l’inoculation par les rhizobies. L’imagerie par luminescence utilisant le marqueur de réponse à la cytokinine TCSn a révélé des réponses oscillatoires de la cytokinine, en phase avec les fluctuations du contenu actif de cytokinine.
L’étude a utilisé des mutants d’un récepteur de cytokinine, LHK1, pour explorer le rôle de la cytokinine dans la périodicité de l’expression génique. Dans les mutants dépourvus de LHK1 fonctionnel, les intervalles oscillants de l’expression périodique de NSP1 étaient prolongés, élargissant la région racinaire où l’expression de NSP1 oscille. En revanche, dans les plantes transformées avec une forme activée de LHK1, l’induction de l’expression de NSP1 était supprimée, entraînant une perte de sa périodicité. La région d’oscillation de NSP1 coïncidait avec la zone formant des filaments d’infection denses. Les mutants lhk1 présentant une perte de fonction ont montré des segments racinaires élargis formant des filaments d’infection denses, tandis que le LHK1 actif réduisait les densités de filaments d’infection. Ces résultats soulignent l’importance d’une réponse appropriée à la cytokinine pour maintenir l’oscillation symbiotique et garantir une distribution adéquate des filaments d’infection.
La symbiose des nodules racinaires se produit dans le clade monophylétique des fixateurs d’azote, comprenant quatre ordres : Fabales, Rosales, Cucurbitales et Fagales, indiquant une acquisition évolutive partagée pour interagir avec des bactéries fixatrices d’azote. Parmi eux, la famille des légumineuses dans l’ordre Fabales, où la plupart des espèces s’engagent dans la symbiose des nodules racinaires, a intégré de manière unique la voie de la cytokinine comme un module régulateur important pour la symbiose. « La découverte de réponses périodiques à la cytokinine était inattendue, soulevant plusieurs questions, notamment les mécanismes moléculaires qui établissent cette périodicité et comment ces réponses périodiques façonnent les régions d’infection, » a déclaré le Dr. Soyano. Répondre à ces questions devrait approfondir la compréhension des mécanismes régulateurs de la symbiose des nodules racinaires et faire progresser la recherche sur le contrôle spatial du développement des organes à travers des réponses périodiques médiées par des hormones végétales.
