Les étapes de la nodulation (formation des nodosités)

Schéma ci-contre :Étapes du développement d'une nodosité dans la racine d'un plan de soja. Les activités coordonnées d'une Légumineuse et d'une Bactérie du genre Rhizobium sp. dépendent des réactions chimiques entre les deux partenaires symbiotiques. 

1 : La reconnaissance et l'infection constituent la première étape. La Bactérie pénètre dans l'écorce par un filet infectieux. An même moment, la racine commence à répondre à l'infection par une division de cellules de l'écorce et du péricycle de la stèle. Les vésicules contenant les Bactéries bourgeonnent dans les cellules de l'écorce à partir de l'extrémité du filet infectieux ramifié.

2 :La croissance se poursuit dans les régions infectées de l'écorce et du péricycle, jusqu'à ce que ces deux masses de cellules fusionnent et forment la nodosité. 

3 : La nodosité continue sa croissance, alors que le tissu conducteur reliant la nodosité au xylème et au phloème de la stèle se développe. Ce tissu conducteur apporte à la nodosité des glucides et les autres substances organiques nécessaires au métabolisme cellulaire ; Il transporte aussi les composés azotés produits dans la nodosité vers la stèle, qui les distribuera dans toute la plante. 

Breck P. Kent/Earth scenes/Animals Animals.

 

 

La reconnaissance mutuelle  

    Cette reconnaissance est effectuée par l'intermédiaire de signaux chimiques. Divers composés déterminants une chimiotaxie positive sont émis par la racine, parmi lesquels des flavonoïdes, inducteurs des gènes nod contrôlant la synthèse des facteurs Nod, responsables de la spécificité de la reconnaissance entre les symbiotes et du déclenchement de l’organogenèse nodulaire. Ce développement nodulaire est programmé par la plante et déclenché par la bactérie.

    Le gène nod D est transcrit de manière constitutive. Son produit, Nod D, différent d'une souche à l'autre, se lie après liaison avec les flavonoïdes aux sites régulateurs (nod boxes) des opérons porteurs des autres gènes nod et active leur transcription. Certains de ces gènes sont communs à toutes les souches et interchangeables, d'autres sont spécifiques de la plante à infecter. Les enzymes produits permettent la synthèse des facteurs Nod (lipo-chitooligo-saccharide diffusibles,LPS).

    Ceux-ci exercent une action hormonale sur la racine et provoquent l'incurvation de l'extrémité des poils absorbants en crochet caractéristique ainsi que la formation de pré-nodules par stimulation de la mitose des cellules corticales. A ce stade, un deuxième message est envoyé aux racines des légumineuses et deux solutions se présentent : 

    Le fait que des structures lipochitooligo-saccharidiques spécifiques soient actives à des concentrations picomolaires sur des légumineuses suggère que les facteurs Nod sont perçus par des récepteurs spécifiques à haute affinité.

 

L’ invasion par le symbiote et la formation du nodule

    L'adhésion des bactéries à la surface des cellules des poils absorbants impliquent peut-être des lectines (protéines se liant spécifiquement à des glucides formés par la bactérie et par la plante). Les cellules de Rhizobium sont piégées dans une poche formée par la paroi des crochets. La membrane plasmique forme une invagination dans laquelle pénètre des bactéries. Simultanément, la plante sécrète une gaine cellulosique autour des bactéries et forment ainsi un canal infectieux qui se dirige vers un pré-nodule. Les LPS de Rhizobium joueraient un rôle lors de la formation du canal. Celui-ci  libère finalement les bactéries dans le cytoplasme des cellules corticales. Celles-ci se divisent alors pour constituer une nodosité vascularisée dans laquelle les bacilles se différencient irréversiblement en bactéroïdes en endosymbiose. Ces derniers, de forme irrégulière, ont un volume supérieur à celui des formes libres. Ils ne se divisent plus et ne synthétisent plus de protéines Nod. En revanche, les bactéroïdes se concentrent dans la production de nitrogénases indispensables (10 à 12 % des protéines) à la fixation de l'azote moléculaire.

    Chaque bactéroïde est entouré par une membrane péribactéroïdale formée par la plante. Elle sert de plaque d'échange entre la bactérie et le cytoplasme de la cellule-hôte. Cette dernière fabrique également diverses protéines spécifiques des nodules appelées les nodulines (par ex. globine de la leghémoglobine).

Photo ci-contre : Nombreux bactéroïdes dans une cellule d'une nodosité racinairede Soja (au MET). On remarque par ailleur que les cellules voisines ne sont pas infectées.

© E.H Newcomb, University of Wisconsin.BPS.

 

 

 

 

Le fonctionnement du nodule

    L'association Rhizobium-légumineuse est un exemple de syntrophie. Les acides organiques fournis par la plante sont une source d'électrons permettant au Rhizobium d'obtenir son énergie (réduction O2 en H2O) et de fixer l'azote (réduction N2 en NH3). L'ammoniac produit est cédé à la plante qui le convertit en acides aminés, une partie étant rétrocédée aux bactéroïdes.

    La leghémoglobine, protéine de coloration rouge (présence de fer) et présentant des similitudes avec les hémoglobines animales, permet aux Rhizobium de maintenir un taux faible mais constant d'oxygène dans le nodule. Elle permet ainsi d'éviter l'inactivation de la nitrogénase qui est sensible à l'oxygène tout en assurant l'apport d'O2 indispensable à ces bactéries aérobies. Elle est synthétisée par la plante-hôte (globine) et par le bactéroïde (groupe prosthétique hème) lié étroitement à la globine.

    La fixation de l'azote est assurée par un complexe enzymatique composée d'une nitrogénase réductase (passage de l'ATP à l'ADP) et d'une nitrogénase vraie (réaction permettant la fixation de l'azote de l'air) :

N2 + 8 H+ + 8 e- ®2 NH3 + H2  

    Cette réaction nécessite une très forte consommation d'énergie (16 ATP) et produit également de l'hydrogène qui peut être recyclé, avec augmentation de l'azote total chez la plante. Les bactéroïdes ne fixent pas l'azote sans nécessité: la fixation cesse si des ions NH4+ ou de l'azote organique sont présents (répression de la synthèse de la nitrogénase). La fixation symbiotique rhizobium-légumineuse produit 100 à 300 Kg N/ha/an, alors que les bactéries libres ne produisent que 1 à 3 Kg/ha/an.

L’ assimilation de NH3

    L'assimilation de NH3 par la plante se fait par le système glutamate synthétase / glutamate synthase. Ce système permet l'assimilation de concentrations faibles de NH4+ car la glutamine synthétase a une affinité plus grande pour NH4+ que les déhydrogénases que l'on rencontre chez certains micro-organismes.