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Objectifs scientifiques :

L'objectif du programme de recherche est d'améliorer ou maintenir la productivité des plantes lorsque la fertilisation azotée est réduite. Pour ce faire, nous exploitons l'impact bénéfique de l'environnement microbien dans la rhizosphère et la diversité génétique existante ou créée de plantes cultivées en ce qui concerne l'absorption et l’assimilation de l'azote. (Figure 1).

Figure 2 : Quatre axes principaux de recherche pour une utilisation durablement améliorée de l'azote. A) Comprendre les mécanismes génétiques, physiologiques et métaboliques qui se produisent dans la plante et dans les microbes qui améliorent l'utilisation de l'azote (Alia DELLAGI). B) Ingénierie du microbiome des cultures en créant des communautés synthétiques (SynComs) basées sur leur complémentarité métabolique pour stimuler la nutrition des cultures par l'azote médié par les CMA (Benoît ALUNNI). C) Comprendre les mécanismes génétiques, physiologiques et métaboliques qui se produisent dans les systèmes de cultures intercalaires et le rôle du microbiome pour favoriser le transfert d'azote via le réseau mycorhizien reliant les céréales aux légumineuses (Kévin MAGNE). D) Intégrer les multi-omiques pour identifier des facteurs microbiens ou végétaux contrôlant la soutenabilité des productions (Eoghan KING).

Nos questions biologiques :-

A) Quels sont les mécanismes physiologiques, métaboliques et moléculaires impliqués dans la nutrition azotée du maïs lors de la symbiose avec les CMA? Nous avons démontré que l'interaction du maïs avec le champignon mycorhizien à arbuscules (CMA) Rhizophagus irregularis atténue le stress dû à la carence en azote du maïs (Figure 3) et développons une série d'outils biologiques et expérimentaux pour comprendre par quels mécanismes ce processus a lieu (Collaboration avec D. WIPF et P-E. COURTY INRAE Dijon). Nous développons et intégrons des approches multi-omiques, incluant des données transcriptomiques, métabolomiques, fluxomiques et ionomiques au niveau des organes végétaux et incluant les compartiments microbiens. En utilisant la microscopie, nous suivons le devenir des arbuscules pendant la symbiose (Figure 4) en essayant de déterminer si leur décomposition peut fournir de l'azote à la plante. Ces approches nous aideront à mieux comprendre les processus physiologiques et moléculaires sous-jacents aux interactions maïs-microbiote qui améliorent l'efficacité de l'utilisation de l'azote du maïs.
Figure 3: Plantes de maïs cultivées sous N limitant et inoculées avec le CMA R. irregularis (à droite) ou non (à gauche).

Nous avons mis en œuvre des approches de biologie des systèmes basées sur des outils d'analyse multi-omique et de modélisation métabolique. Grâce à une collaboration avec le Dr Rajib SAHA (Univ. Nebraska), notre étude soutient l'idée que la voie métabolique des pyrimidines est un élément crucial du métabolisme de l'azote du maïs pendant la symbiose dans des conditions limitées en azote (Decouard et al., 2023, BioRxiv, Chowdhury et al. 2023). En collaboration avec l'équipe NUTS de l'IJPB, nous étudions la réponse de Brachypodium distachyon à R. irregularis dans des conditions de faible teneur en N. En collaboration avec l'équipe QALIBIOSEC   de l'IJPB, nous étudions le rôle des parois cellulaires végétales dans la symbiose AM et vice versa.
. Figure 4: Racines de maïs colonisées par des arbuscules colorées au "wheat germ agglutinin" (WGA). Les structures roses correspondent aux arbuscules et aux hyphes colorées au WGA.

B) Quels sont les consortiums microbiens capables de stimuler la nutrition azotée du maïs via les CMA et par quel mécanisme ? Cette recherche se penchera sur les mécanismes de recrutement du microbiote du maïs par les exsudats racinaires et sur la caractérisation des consortiums microbiens associés à la nutrition azotée des racines du maïs associée aux CMA. Pour répondre à ces questions, nous avons développé un système original de coculture maïs-CMA basé sur l'aéroponie (Figure 5) afin d'étudier quels métabolites sécrétés dans les exsudats racinaires des plantes peuvent jouer un rôle lors de la symbiose mycorhizienne (Decouard et al. 2025 JXB. in press).

Figure 5: Système aéroponique de co-culture maïs-CMA. Ce dispositif permet l'étude de la composition métabolique des exsudats racinaires.

Nous concentrons particulièrement nos recherches sur les bactéries rhizosphériques libres et endophytes fixatrices d'azote associées aux racines du maïs et à l'hyphosphère mycorhizienne. Ce travail est réalisé en trois étapes majeures : piégeage de bactéries et de champignons dans la rhizosphère (collab. J. Fievet, GQE), création de communautés synthétiques (SynCom), détermination des composés d'exsudats racinaires impliqués dans leur recrutement et optimisation de l'effet synergétique de la combinaison SynCom-CMA sur le métabolisme de l'azote du maïs. L'impact des consortiums bactériens et de l'AMF sur le métabolisme de l'azote du maïs sera caractérisé.