Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

Le coton est bien plus qu'un simple tissu ; c'est un moteur agricole mondial, l'Inde cultivant à elle seule près de la moitié des champs de coton du monde. Pourtant, cette culture vitale fait face à un ennemi silencieux et souterrain. Un champignon microscopique appelé Rhizoctonia solani vit dans le sol, attendant d'attaquer les jeunes semis de coton. Il provoque une affection connue sous le nom de fonte des semis, où les tiges des semis pourrissent à la base, provoquant leur effondrement et leur mort avant même qu'ils ne puissent s'établir. Pendant des décennies, les agriculteurs ont combattu cet ennemi avec des fongicides chimiques, mais ces produits peuvent nuire au sol et aux microbes bénéfiques qui y vivent, tandis que le champignon lui-même peut finir par développer une résistance à leur égard. La nature offre cependant un autre type de solution. Cachés à l'intérieur des tissus des plantes saines se trouvent des champignons microscopiques appelés endophytes. Ce ne sont pas des envahisseurs ; ce sont des résidents permanents et inoffensifs qui vivent à l'intérieur de la plante sans provoquer de maladie. Dans de nombreux cas, ces hôtes internes agissent comme des gardiens, produisant des composés qui repoussent les ravageurs ou déclenchent le propre système immunitaire de la plante pour qu'elle soit prête à l'attaque.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Central de Recherche sur le Coton à Nagpur, en Inde, a entrepris de voir s'ils pouvaient utiliser ces gardiens internes pour protéger le coton contre le champignon mortel du sol. Ils se sont concentrés sur trois types spécifiques d'endophytes fongiques qui vivaient auparavant à l'intérieur de plantes de coton saines. Les scientifiques voulaient savoir s'ils pouvaient réveiller les défenses naturelles du coton avant même l'arrivée de l'ennemi. Pour ce faire, ils ont pris des graines de coton et les ont trempées dans un liquide contenant des spores de ces champignons bénéfiques, un processus appelé biopriming des semences. Cette étape a essentiellement donné un coup d'avance aux graines, les recouvrant de leurs nouveaux alliés microscopiques. Ils ont ensuite planté ces graines traitées dans un sol infecté par le champignon pathogène, aux côtés de graines n'ayant reçu aucun traitement. L'objectif était d'observer comment les plantes traitées se comportaient face à l'infection et de comprendre précisément ce qui se passait à l'intérieur des cellules végétales pour les rendre plus fortes.

Les résultats ont montré que la stratégie fonctionnait remarquablement bien. Les graines traitées avec les champignons bénéfiques ont donné naissance à des semis beaucoup plus susceptibles de survivre à l'attaque que les non-traitées. En fait, les graines traitées avec un endophyte spécifique, Daldinia eschscholtzii, ont présenté les taux de germination les plus élevés, avec 91 pour cent d'entre elles germant avec succès même en présence de la maladie, contre seulement 67 pour cent pour les graines non traitées dans un sol infecté. Mais l'histoire va plus loin que les taux de survie. Les chercheurs ont examiné l'intérieur des tissus des plantes survivantes pour voir quels changements biochimiques s'étaient produits. Ils ont découvert que les plantes traitées étaient essentiellement dans un état d'alerte maximale. Elles avaient accumulé des niveaux nettement plus élevés de protéines et de sucres, qui servent de briques élémentaires et de carburant pour la machinerie de défense de la plante. Les plantes produisaient également beaucoup plus de composés phénoliques, qui agissent comme des antiseptiques naturels et aident à renforcer les parois cellulaires de la plante, rendant plus difficile la percée du champignon envahisseur.

L'étude a également mesuré l'activité d'enzymes spécifiques, qui sont les outils que la plante utilise pour riposter. Les plantes traitées ont montré une poussée de l'activité antioxydante, qui aide à neutraliser les substances chimiques nocives libérées par le champignon pathogène pour endommager la plante. Une enzyme, appelée catalase, qui aide à décomposer les sous-produits toxiques de la propre réponse immunitaire de la plante, était particulièrement active dans les plantes traitées avec Daldinia eschscholtzii. Une autre enzyme, la peroxydase, impliquée dans le durcissement des parois cellulaires de la plante, était également très active, surtout dans les plantes traitées avec un autre endophyte appelé Trichoderma sulphureum. Preuve peut-être plus probante encore, les données génétiques. Les chercheurs ont examiné les gènes responsables de la production de chitinase et de bêta-1,3-glucanase, deux armes puissantes que les plantes utilisent pour démanteler les parois cellulaires fongiques. Dans les plantes traitées avec les champignons bénéfiques, les instructions pour fabriquer ces armes ont été activées avec une rapidité et une intensité incroyables. En quinze jours après la plantation, l'activité du gène de la chitinase avait augmenté jusqu'à vingt-six fois dans les plantes traitées avec Daldinia eschscholtzii, tandis que le gène de la bêta-1,3-glucanase présentait une augmentation de neuf fois. Cela suggère que les champignons bénéfiques n'ont pas seulement combattu la maladie directement ; ils ont appris au coton comment se battre par lui-même.

Les chercheurs ont observé que cette réponse de défense n'était pas un événement unique, mais un effort coordonné qui évoluait au fil du temps. Bien que les signaux génétiques aient été les plus forts dans les premiers jours de la vie de la plante, les défenses biochimiques, telles que l'accumulation de sucres et de protéines, ont continué à s'accumuler à mesure que les plantes vieillissaient. Cela indique que les champignons bénéfiques ont préparé la plante à être prête pour une attaque immédiatement, puis ont aidé à maintenir cette défense à mesure que la plante mûrissait. L'étude n'a pas trouvé que les champignons bénéfiques éliminaient entièrement le champignon pathogène, mais plutôt qu'ils réduisaient considérablement les dommages qu'il pouvait causer. Les plantes traitées avec les endophytes n'étaient pas immunisées, mais elles étaient assez résilientes pour survivre et croître là où les plantes non traitées auraient péri. Cette approche offre une alternative prometteuse aux sprays chimiques, en s'appuyant sur le partenariat naturel entre les plantes et la vie microscopique qu'elles hébergent. En trempant simplement les graines dans une solution de ces champignons utiles, les agriculteurs pourraient potentiellement protéger leurs cultures grâce à une méthode qui est à la fois efficace et respectueuse de l'environnement, transformant les alliés internes de la plante de coton en sa première ligne de défense contre un ennemi persistant et destructeur.