Avancées dans les outils génétiques pour les bactéries fixatrices d'azote

L'azote est super important pour la croissance des plantes et peut vraiment augmenter la production des cultures. Du coup, les agriculteurs ajoutent souvent des engrais azotés synthétiques dans leurs champs. Mais pour fabriquer ces engrais, il faut beaucoup d'énergie, ce qui représente environ 2 % de l'approvisionnement énergétique mondial. En plus, ces engrais synthétiques peuvent nuire à l'environnement en provoquant des problèmes de sol et en contribuant aux émissions de gaz à effet de serre. Donc, trouver des sources alternatives d'azote qui soient à la fois économiques et meilleures pour l'environnement, ça devient vraiment intéressant.

Une alternative prometteuse, c'est d'utiliser des bactéries fixatrices d'azote, appelées Diazotrophes. Ces bactéries peuvent prendre l'azote de l'air et le rendre disponible pour les plantes. Certaines de ces diazotrophes peuvent vivre dans les racines des cultures et leur fournir de l'azote, ce qui aide à réduire le besoin d'engrais synthétiques.

La recherche sur les diazotrophes est en cours, se concentrant sur comment ils peuvent fournir plus d'azote aux cultures et comment ils interagissent avec les plantes et d'autres microbes dans le sol. Même si on pourrait modifier les diazotrophes pour améliorer la fixation de l'azote, il y a encore seulement quelques outils disponibles pour ça dans un nombre limité d'espèces.

Comme les diazotrophes sont divers et se trouvent dans différents environnements, il est essentiel de développer des Outils génétiques qui puissent être utilisés dans différents types de diazotrophes. Cette étude vise à créer des outils de biologie synthétique dans diverses espèces de diazotrophes, notamment au sein du groupe des protéobactéries, pour établir des souches modèles potentielles pour des recherches futures.

#Développement d'outils génétiques

Dans cette étude, des chercheurs ont créé des systèmes d'expression basés sur des Plasmides dans cinq espèces différentes de bactéries fixatrices d'azote :

1. Klebsiella michiganensis M5al
2. Azospirillum brasilense Sp245
3. Herbaspirillum seropedicae SmR1
4. Azorhizobium caulinodans ORS 571
5. Rhizobium leguminosarum 3Hoq18

Ces espèces ont été sélectionnées en fonction de leurs liens avec les plantes et leur capacité à fixer l'azote. Par exemple, certaines de ces diazotrophes peuvent former des nodules sur les racines des légumineuses où la fixation de l'azote se produit à des taux élevés. D'autres peuvent vivre librement dans le sol ou s'associer à différentes espèces de graminées, ce qui améliore leur capacité à fournir de l'azote.

Comprendre comment ces bactéries interagissent avec les plantes est super important pour améliorer la libération d'azote et, en fin de compte, augmenter les rendements des cultures. Bien que l'étude ait mis en avant les avantages de ces diazotrophes, elle a aussi souligné qu'il y a encore un manque d'outils génétiques testés pour l'expression stable de l'ADN étranger. Cet aspect est crucial pour créer des souches modèles efficaces.

Les chercheurs se sont concentrés sur l'introduction de plasmides contenant des marqueurs fluorescents dans ces diazotrophes pour étudier l'expression des gènes. Ils ont expérimenté avec différentes séquences de promoteurs pour contrôler l'activité des gènes et ont réussi à démontrer l'expression des gènes grâce à des molécules de signalisation spécifiques.

#Caractérisation des diazotrophes

Les chercheurs ont commencé par examiner les informations existantes sur les diazotrophes et ont identifié des souches isolées dans différents climats et conditions. Ils ont cherché des souches disponibles dans des bases de données publiques et ayant des données génomiques de haute qualité.

Ils ont trouvé que beaucoup de souches avaient de grands génomes et plusieurs caractéristiques notables, comme la capacité à bien pousser dans divers milieux de laboratoire. L'équipe de recherche a établi des conditions de croissance de base pour chaque espèce, leur permettant de cultiver et de caractériser efficacement ces microbes non-modèles.

La croissance des diazotrophes a été évaluée dans différents milieux. Les bactéries endophytes (espèces pouvant vivre à l'intérieur des racines des plantes) ont été cultivées dans un milieu standard Luria-Bertani (LB), tandis que les symbiontes de nodules racinaires (espèces formant des nodules sur les légumineuses) ont montré une meilleure croissance dans un milieu différent avec une concentration de sel réduite.

L'équipe de recherche a effectué des essais de croissance pour mesurer la vitesse de croissance (temps de doublement). Ils ont constaté que K. michiganensis était la plus rapide, tandis que d'autres espèces poussaient plus lentement mais montraient tout de même une croissance fiable dans des conditions contrôlées.

#Outils génétiques pour l'expression

Pour étudier l'expression des gènes dans ces diazotrophes, les chercheurs visaient à créer des outils qui leur permettraient d'introduire de l'ADN étranger et de l'exprimer de manière fiable.

Au départ, ils ont identifié les quantités minimales de certains antibiotiques nécessaires pour empêcher la croissance bactérienne, ce qui est nécessaire pour la sélection lorsqu'on travaille avec des organismes génétiquement modifiés. Ils ont testé plusieurs plasmides pouvant être utilisés pour l'expression des gènes et ont découvert qu'un type, avec une origine de réplication spécifique, fonctionnait efficacement dans la majorité des diazotrophes.

Les scientifiques ont cherché à contrôler l'expression des gènes en utilisant divers promoteurs et sites de liaison ribosomique (RBS). Les promoteurs sont des séquences d'ADN qui initient la transcription des gènes, tandis que les RBS aident à faciliter la traduction. En testant différentes combinaisons de ces éléments, ils cherchaient à optimiser l'expression des gènes dans les diazotrophes sélectionnés.

#Résultats des tests d'expression

Après avoir testé la bibliothèque de promoteurs et les variantes de RBS, les chercheurs ont observé différents niveaux d'expression génique entre les espèces. Par exemple, l'utilisation du même promoteur a conduit à des résultats variés chez différentes bactéries, soulignant la nécessité d'approches adaptées à chaque espèce.

Ils ont également essayé d'induire l'expression des gènes avec des petites molécules présentes naturellement dans les exsudats racinaires des plantes. Ils ont identifié plusieurs composés pouvant stimuler l'expression génique chez les diazotrophes, certains montrant des augmentations significatives de fluorescence (une mesure de l'expression) dans des souches spécifiques.

Malgré les réussites, ils ont noté que certaines diazotrophes ne répondaient pas bien à certains systèmes inductibles et nécessiteraient une optimisation supplémentaire pour une utilisation efficace.

#Édition du génome

Pour étendre leurs capacités de recherche, l'équipe a également démontré une nouvelle méthode pour éditer les génomes des diazotrophes, en se concentrant sur K. michiganensis. Ils ont utilisé un système basé sur des plasmides qui permettait des modifications ciblées de l'ADN bactérien.

Dans leurs expériences, ils ont introduit un oligonucleotide synthétisé chimiquement conçu pour créer une mutation spécifique dans un gène responsable de la résistance aux antibiotiques. Cette approche d'édition ciblée a montré des résultats prometteurs, avec plusieurs colonies portant la mutation souhaitée confirmée par séquençage.

Cette méthode d'édition du génome ouvre la voie à une exploration plus poussée pour modifier les diazotrophes afin d'améliorer leurs capacités de fixation de l'azote ou d'autres traits bénéfiques pour l'agriculture.

#Conclusion

La recherche met en avant l'importance des bactéries fixatrices d'azote pour une agriculture durable et le potentiel de réduire la dépendance aux engrais synthétiques. En développant des outils génétiques pour diverses espèces diazotrophes, les chercheurs peuvent mieux comprendre comment ces microbes interagissent avec les plantes et contribuent à la libération d'azote.

Les résultats indiquent qu'avec les bons outils et méthodes, il est possible d'améliorer les capacités des diazotrophes, ce qui pourrait conduire à des rendements de cultures accrus et à un impact environnemental réduit. Les travaux en cours dans ce domaine continueront à affiner ces approches et à élargir la boîte à outils disponible pour étudier et concevoir ces bactéries bénéfiques.

Avec l'établissement réussi de divers systèmes d'expression et le potentiel d'éditions ciblées du génome, cette recherche pave la voie pour de futurs progrès en biotechnologie agricole et en pratiques agricoles durables.