CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

Role of plant-endophyte (bacteria and fungi) associations in polycyclic aromatic hydrocarbon biodegradation – EndOMiX

Les microorganismes endophytes des racines aident-ils les plantes à supporter la toxicité et à dégrader les polluants organiques ?

La diversité des endophytes bactériens et fongiques du peuplier sera étudiée sur un sol avec une contamination croissance en hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). La réponse physiologique et métabolique de la plante et des endophytes couplée au suivi du devenir des polluants dans les tissus végétaux nous renseignera sur les interactions et les mécanismes mis en jeu en réponse aux toxiques.

Interactions complexes et réponse de la plante et de ses endophytes à la pollution

La France, comme bien d’autres pays, possède de nombreux sites industriels contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). La phytoremédiation est parmi les stratégies de remédiation les plus prometteuses. Pourtant, l’absorption, la transformation et la dégradation des HAP dans les plantes n’ont jamais été explorées dans un système végétal complexe. Les plantes sont naturellement colonisées par une grande variété de microorganismes. Les endophytes bactériens et fongiques sont bien connus pour leurs propriétés de protection et promotion de croissance des plantes et certains d'entre eux sont apparemment capables de dégrader les HAP.<br />Les interactions biotiques et la réponse commune de la plante hôte et de ses endophytes en réponse à la pollution par les HAP seront étudiées, en tirant parti du développement d’outils OMICs fournissant des informations sur la réponse cellulaire aux niveaux génomique, transcriptomique, protéomique et métabolomique. Le projet EndOMiX a pour but de caractériser les interactions entre les endophytes racinaires bactériens et fongiques et les plantes dans le contexte de sols contaminés par des HAP afin de mieux comprendre les processus moléculaires mis en place et à terme d’accroitre l’efficacité des procédés de phytoremédiation

Le 1er objectif est d’évaluer l’impact d’un gradient de contamination en HAP sur la réponse de la plante et de ses endophytes, en utilisant une combinaison d’outils enzymatiques et moléculaires. Les données aideront à comprendre comment le taux de pollution structure la diversité des communautés microbiennes et module l'activité métabolique de la plante et des endophytes. Notre 2ème objectif est d'identifier, de suivre et de localiser le HAP et ses produits dérivés dans le sol, les tissus végétaux et la biomasse microbienne associée en utilisant un HAP marqué au 13C et en combinant une approche métabolomique et de DNA-SIP (« stable isotope probing ») pour identifier les micro-organismes bénéficiant de cette source de carbone. Les résultats permettront de proposer des scénarii concernant le devenir des HAP dans les systèmes sol-plante. Le 3ème objectif est d’isoler des endophytes bactériens et fongiques capables de dégrader les HAP et de promouvoir la croissance des plantes. Ces souches seront caractérisées pour sélectionner des modèles d’étude performants. Le dernier objectif est de comprendre le rôle spécifique des bactéries, des champignons et de la plante. Une expérimentation dans des conditions simplifiées et contrôlées sera réalisée avec 1 plante (peuplier), et deux souches microbiennes (une bactérie et un champignon), en vu de révéler, qui fait quoi ? comment ? et où ? Nous pourrons alors pleinement comprendre le fonctionnement métabolique de notre système et reconstituer les principales étapes de transformation des HAP dans les plantes.

En cours

La banque de souches bactériennes et fongiques, isolées et caractérisées dans le cadre du projet EndOMiX, pourra être largement utilisée pour préparer des inoculum microbiens efficaces en phytoremédiation.
Des essais de phytoremédiation assistée par les endophytes pourront être mis en place in situ sur des sites et sols contaminés par des HAP, pour évaluer les performances à plus large échelle.

En cours

France, as well as many countries over the world, has large polluted industrial sites contaminated by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Among remediation strategies, phytoremediation is considered as one of the most promising approach. The PAH biodegradation enhancement in the plant rhizosphere has been largely studied in the past. However, the direct enhancement of the PAH loss through plant uptake and in planta degradation was very little explored. Although PAH parent compounds are apparently detected at low concentration, various transformation and conjugation process generating PAH metabolites and derivatives have been proposed but never explored in complex plant system. Research effort is required to better understand the dynamic and fate of PAH in soils under plant influence and recently developed metabolomics tool could help identifying PAH-derivatives in plants. Plants are naturally colonized with a wide variety of microorganisms. While the role of the rhizosphere microbiome in PAH dissipation have been largely investigated, our knowledge regarding the endosphere microbiome remains limited. Bacterial and fungal endophytes are well known for their plant growth promotion (PGP) properties, and some of them are capable of degrading PAH, but the microbial PAH-degradation pathways and the physiological interactions with the plant have never been explored in planta. Although, positive biotic interactions between bacteria and fungi are well known, studies rarely focus on both at the same time. Consequently, the joint response of the plant and its endophytes to the PAH pollution need to be studied benefiting of the development of OMICs tools giving information on the cellular response at the genomic, transcriptomic, proteomic and metabolomics levels. In this context, the EndOMiX project will characterize the interactions between bacterial and fungal root endophytes and plants in the context of PAH-contaminated soils to unravel the fundamental molecular processes set up and thus make the most of phytoremediation. The 1st objective is to assess the impact of a PAH contamination gradient on the response of the plant and its microbiome, using combination of enzymatic and molecular omics tools. Data will help understanding how the pollution rate structures the diversity of microbial communities and modulates the metabolic activity of the plant and endophytes. As the fate of PAH in plants is still poorly understood, our 2nd objective is to identify, track, and localize the PAH parent compound and derivatives, in the rhizospheric soil, plant tissues and associated microbial biomass using 13C-labelled PAH and combining metabolomic tools and DNA-stable isotope probing to identify the microorganisms benefiting from this carbon source. The results will make it possible to propose scenarios concerning the fate of PAHs in soil-plant systems. The 3rd objective is to isolate bacterial and fungal endophytes under PAH stress and determine their functional traits (i.e. PGP and degradation of PAH). This part will provide a large bank of bacterial and fungal strains usable in phytoremediation. The last objective is to decipher, in simplified and controlled conditions, the role of the 3 partners (bacterium, fungus and plant) and the underlying functional mechanisms to reveal who is doing what, how and where, through the tracking of 13C-PAH. We will then fully understand the metabolic functioning of our system and reconstruct the major steps of PAH transformation in plants.

Project coordination

Aurélie CEBRON (Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

LIEC Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux
IAM Interactions Arbres Micro-organismes
IBMP Institut de biologie moléculaire des plantes (UPR 2357)
SPI / LI2D Laboratory «Innovative technologies for Detection and Diagnostics»

Help of the ANR 592,189 euros
Beginning and duration of the scientific project: January 2020 - 48 Months

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