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Etude écologique en immunofluorescence de Rhizobium
japonicum dans le sol et la rhizosphère
Jean Claude Cleyet-Marel, Yves Crozat
To cite this version:
Jean Claude Cleyet-Marel, Yves Crozat. Etude écologique en immunofluorescence de Rhizobium
japonicum dans le sol et la rhizosphère. Agronomie, EDP Sciences, 1982, 2 (3), pp.243-248.
�hal-02725291�
Etude
écologique
en
immunofluorescence
de
Rhizobium
japonicum
dans le sol
et
la
rhizosphère
Jean-Claude CLEYET-MAREL Yves CROZAT
I.N,R.A., Laboratoire de Recherches sur les Symbiotes des Racines, 9, Place Viala, F 34060
Montpellier-Cedex.
( *
) E.S.A., 24, rue Auguste-Fontenau, F 49044 Angers.
RÉSUMÉ La technique des anticorps
marqués (immunofluorescence)
a été utilisée pour l’étude de lapersistance
et de la Ecologie,compétition
dans le sol de Rhizobium japonicum. La mêmetechnique
apermis d’apprécier
lamultiplication
Rhizobium
j
a
p
on
i
cum
,
de Rhizobium dans le solrhizosphérique
et dans lerh
i
zo
p
lan
.
ImmunoJluorescence
,
’Les
populations
de R. japonicum, souches GZet G3se maintiennent à un haut niveau(10’ bactéries/g
desol)
S
ol,
pendant tout le temps del’expérimentation.
Rhizosphère,
Lorsque 2 souches sont introduites simultanément, on n’observe pas decompétition saprophytique
entreRhizo
p
lan.
!!’ celles-ci dans le sol. L’étude de R. japonicum dans larhizosphère
montre que seule laplante
hôte desoja,
var.tzo!<M.
« Chippewa
nodulante », possède dans le solproche
de ses racines unepopulation
de Rhizobiumplus
importante
que dans le sol normal.Dans une
expérimentation
portant sur lerhizoplan,
4 cultivars desoja
sont testés. Les résultats montrent que R. Japonicum est 100 à 1 000 foisplus
abondant dans lerhizoplan
que dans le sol ne portant pas devégétation.
Nous
suggérons qu’au
cours de lamultiplication
de Rhizobium dans lerhizoplan, l’équilibre
entre 2 souchespeut être modifié et une souche stimulée
préférentiellement
à l’autre.SUMMARY
Ecological study of
Rhizobiumjaponicum
in the soil and therhizosphere by
theimmunofluores-Ecology, cence method
Rhizobium japonicum,
Thefluorescent-antibody technique
was used tostudy persistence
andcotnpetition
of Rhizobium japonicumImmunofluorescence,
’strains in soils at different temperatures and to examine the effect of
plants
on this bacterium in the eSoil,
herhizosphere
andrhizoplane.
The soilpopulation
of R. japonicum strains G2 and G3 remained the sameRhizosphere
,
1
p
4
bac
(
a/
g
i
er
t
ofsoil) throughout
theexperiment,
without anysignificant competition
between the twoRhizoplane.
’strains. In the
rhizosphere experiment,
only the hostlegume (Glycine
max, cv. «Chippewa
w) supported high
hpopulations
of strain G3’ In anotherexperiment
with four cultivars of soybeans, thepopulations
of R.jnponicum 102, 103 more numerous in the
rhizoplane
soil than in normal soil. We suggest that themultiplication
of Rhizobium in therhizoplane
of the hostplant
is animportant phenomenon,
able tomodify
the equilibrium between two specific strains and thus to favour better nodulation by one strain rather than another.
1. INTRODUCTION
La réussite d’une culture de
légumineuse
nécessite la miseen
place
d’une association efficiente entre laplante
hôte etla bactérie du genre Rhizobium.
Lorsque
le Rhizobium est absent dusol,
l’inoculation dessemences
peut
dans certains casmultiplier
le rendement pardeux ou trois. C’est le cas de la luzerne
(Medicago
sativaL.)
en sol acide
(O
BATON
,
1971)
ou dusoja
(Glycine
max L.Merrill)
dans tous les solsfrançais
(L
AGACHERIE
& OBA -TON,
1973).
Par contre, pour une
légumineuse
donnée,
si le solcontient
déjà
des Rhizobiumappartenant
à son grouped’inoculation,
ilpeut
être difficile de faire former lesnodosités par une souche nouvelle
apportée
par inoculation.(JO
HNSON
etal.,
1965 ; A
MARGER
,
1974).
Laproportion
denodules formés par les souches réintroduites est
générale-ment faible
(W
EAVER
&F
REDERICK
,
1974).
Pour mieux maîtriser le mécanisme
global
decompétition
pour lanodulation,
il estindispensable
de mieux connaître la survie dans le sol des bactéries incluses dans lesinocu-lums,
leurmultiplication
dans larhizosphère
de laplante
hôte et lepouvoir
infectif des différentes souches enprésence.
La survie et les
phénomènes
decompétition
entre souches de Rhizobiumjaponicum
sont étudiésprincipalement
à l’aide de méthodes indirectes fondées surl’aptitude
de cesbactéries à former des nodosités
(V
INCENT
,
1974).
Les
techniques
quantitatives
en immunofluorescence(S
CHMIDT
,
1974)
offrentl’avantage
d’être directes et de donner une estimation immédiate du nombre d’individusde la
technique
desanticorps marqués
(immunofluores-cence) :
- d’étudier l’évolution de différentes
populations
de R.japonicum
dans 2sols,
- d’aborder les
problèmes posés
par l’étude de lamultiplication
de R.japonicum
dans larhizosphère
deplusieurs plantes
dont lesoja
et de montrer lesperspectives
offertes par latechnique
utilisée.Il.
MATÉRIEL
ETMÉTHODES
A.
Préparation
desanticorps
fluorescentsLes souches de R.
japonicum G
2
(311
B 135 USDABeltsville)
etG
3
(311
B 138 USDABeltsville)
sont cultivéessur milieu solide à base d’extrait de levure et de mannitol
(V
INCENT
,
1970).
Après
4-5jours
de culture à28°,
les bactéries sont lavées 3 fois en eauphysiologique.
Puis lasuspension
estajustée
à 109bactéries/ml.L’inactivation des
antigènes flagellaires (BUSHNELL
&S
ARLES
,
1939)
est assurée en chauffant lessuspensions
pendant
1 h à 100 °C(bain-marie bouillant).
Les
anticorps
sontmarqués
à l’LT.C.F. selon la méthode décrite antérieurement(JOSS
ERAND
& CLEYET-M
AREL
,
1979).
Les antisérums sont
préparés
sur deslapins
de 3-4 mois de racenéo-zélandaise,
selon unprotocole
comprenant
2 sériesd’intra-veineuses terminées par une
injection
sous-cutanée(1
er
jour :
0,5
mlI.V. ;
2
e
j :
1 mlI.V. ;
3
e
j :
1,5
mlI.V. ;
4à 6*= j : repos ; 7&dquo; j : 1,5 ml I.V. ; 8! j : 2 ml I.V. ; 9&dquo; j : 2 ml
I.V. + 2 ml
S.C.).
La détermination du titre est effectuée16 j après
la Feinjection
par réactiond’immunofluores-cence indirecte et une jre
ponction cardiaque
est réalisée le18
e
jour
si le titre estégal
ousupérieur
à 1/1 200.B. Etude de la survie de R.
japonicum
dans le sol1. Persistance des cellules vivantes
Deux sols sont utilisés pour ce
type
d’expérimentation :
Sol M ou sol de la Station de la Valette à
Montpellier
et sol L ou sol degrande
culture de larégion lyonnaise (tabl. 1).
Des
échantillons de 500 g de sol tamisés à 4 mm sontensemencés avec la ou les souches
G,
etG
3
et sont ensuite transférés pour incubation dans desassemblages spéciaux
ou
assemblages
de « Léonard » couverts(V
IN
C
ENT
,
1970).
Dans une Fe série
d’expériences,
3 échantillons de solM,
uniquement,
sont inoculés parvaporisation
de la soucheG
3
à raison de 20 ml desuspension
bactérienne pour 500 g desol.
Un 1er
échantillon,
ayant reçu
10
8
Rhizobiu:m,
estplacé
à4 °C tandis que le 2e et le
3
e
,
ayant reçu
5. 10
1
Rhizobium,
sont
placés
à 18 °C et 28 °C. Pour tous tes échantillonsl’humidité du sol reste constante au cours de l’incubation et voisine de 18 p. 100.
Dans une 2csérie
d’expériences,
les 2 sols L et M sont inoculés simultanément et defaçon identique
à celle décriteprécédemment
par les 2 souches de R.japonicum, G
2
etG
3
,
puis
mis àincuber
dans desassemblages
de « Léonard » à28 °C. Les
comptages
des 2 souches sont réalisés sur les mêmesprélèvements.
L’évolution des
populations
bactériennes introduites(G
3
)
est suivie dans letemps
en les dénombrant par immunofluo-rescence sur membrane defiltration,
selon latechnique
décrite par SCHMIDT
(1974).
Pourchaque
échantillon mis àincuber,
3prélèvements
sonteffectués,
chaque prélèvement
donnant lieu à un dénombrement.
Le mode de
répartition
des bactéries sur les membranesde filtration ainsi que la
précision
de l’estimation de leur nombre ont été décrits par ailleurs(C
LEYET
-M
AREL
&CHESSEL,
1978).
2. Persistance des cellules mortes
Les Rhizobium
(souche G
3
)
sont tués par passage dessuspensions
bactériennes dans un bain-marie à 80 °Cpen-dant 3 mn. A
partir
de lasuspension rapidement
refroidie,
2
prélèvements
sont effectués : le 1er est destiné à la vérification de la viabilité des cellules bactériennes parétalement en boîte de
Petri,
le 2eest utilisé pour des frottisbactériens sur
lesquels
sera testé le sérum fluorescent antiG
3
.
Les 2 sols L et M sont inoculés avec unesuspension
de cescellules,
l’évolution de leur nombre est suivi par immunofluorescence.C. Etude de l’influence de la
plante
sur lespopulations
du solrhizosphérique
1. La
rhizosphère
sensu strictoDes échantillons de 1
kg
de solM,
inoculés avec la soucheG
3
,
sont introduits dans despots
et ensemencés avec lesgraines
deplusieurs plantes
à raison de 3graines
parpot
dans le cas dusoja
(cv.
« Chippewa
nodulante » et « nonnodulante
»), 10 graines
dans le cas du blé(Triticum vulgare
L.,
cv. « Talent » et « MarisHuntsmann »)
et 30graines
dans le cas dudactyle
(Dactylis glomerata L.).
Après
2 mois de culture en serres, lesplantes
sontprélevées
et la fine couche de solqui
adhère fermement auxracines est
prélevée
par unlavage
et uneagitation
modérée dans l’eau(15
mn sur unagitateur
rotatif à axehorizontal).
Nous obtenons ainsi la fraction de sol
correspondant
à larhizosphère
proprement
dite telle que l’ont définie DOM-MERGUES & MANGENOT
(1970).
A
partir
de la fractionobtenue,
2prélèvements
sont effectués. Le 1er est destiné à un dénombrement de R.japonicum
par immunofluorescence sur membranes de filtration et le 2eà un dénombrement de la microflore totaleen boîtes de Petri sur un milieu à la
gélose
nutritive(Bio
Mérieux).
Dans le cas du sol nonrhizosphérique,
les échantillons sont aussirépartis
en 2 lots : dénombrement par immunofluorescence et dénombrements sur boîtes de Petri.2. Le
rhizoplan
Des échantillons de sol M
(1 kg)
sont tamisés à 4 mmet inoculés avec la souche
G
2
.
On utilise 4génotypes
desoja :
«Hodgson
», « Giessen 454-69 », «Fiskeby
», « ChinChuan ».
Avant le
semis,
lesgraines
sont stérilisées partrempage
pendant
60 mn dans une solutiond’hypochlorite
de calcium(10
g dans 150 cm3 d’eaudistillée)
puis
rincées 5 à 6 foisdans de l’eau stérile. Chacun des
pots
contient 4plantes ;
3
pots
témoins sans couvertvégétal
sontplacés
dans les mêmes conditions. Il y a 3répétitions
par essai.Au stade 4-5 feuilles
(début
duremplissage
desgousses),
on
prélève
lesplantes
entières. Lesystème
racinaire estpréalablement
lavé etagité
modérément dans l’eau commepour l’étude de la
rhizosphère.
Le matérielvégétal
issu decette lre
opération
estplacé
dans des bouteilles contenant150 ml d’eau
distillée,
puis
soumis à uneagitation
vigou-reuse(30
mn sur unagitateur
rotatif à axevertical).
Cetteopération
a pour but d’extraire la microfloreprésente
à la surface des racines et de travailleruniquement
avec lerhizoplan
tel que celui-ci a été défini par DOMMERGUES& MANGENOT
(1970).
Le dénombrement des Rhizobium s’effectue en immunofluorescence sur membrane defiltra-tion
après
élimination desparticules
de sol.III.
RÉSULTATS
A basse
température,
4 °C(fig. la),
le nombre deRhizobium ne cesse de décroître en raison sans doute de
l’absence de
multiplication,
de la mortalité naturelle et de laprédation
par desorganismes
unicellulaires. A 18 °C et28 °C
(fig.
lb etlc),
on observe au cours des 10premiers
jours
uneaugmentation
sensible du nombre de bactériesintroduites. Il est à noter que
l’augmentation
du nombre deRhizobium est d’autant
plus
importante
que latempérature
d’incubation estplus
élevée.Lorsque
2 souches sont introduites simultanément dansun sol
(fig.
2a et2b),
leurspopulations
évoluent defaçon
identique.
Cette évolution n’est pas la même dans les sols Let M. Contrairement à ce
qui
se passe dans le solM,
onn’observe pas, dans le sol
L,
d’augmentation
du nombre de Rhizobium au cours des 10premiers
jours
d’incubation.Les résultats du tableau 2 montrent que les corps
bacté-riens tués se maintiennent à un niveau élevé
pendant
6 à 9jours.
Ce n’estqu’après
le 6ejour
que l’onpeut
noter unediminution brutale du nombre d’individus. La détection des bactéries introduites devient alors très
délicate,
leur nombrese situant en dessous du seuil de sensibilité de la
technique
d’observation(10
3
bactéries/g
desol).
A. La
rhizosphère
Pour caractériser l’influence des
plantes
sur la microfloretotale et sur Rhizobium dans leur sol
rhizosphérique,
nousavons calculé pour
chaque
plante
lerapport
R/S entre lenombre de
microorganismes
dans le solrhizosphérique (R)
et dans le sol témoin
(S).
Ces
rapports
R/S sontprésentés
dans lafigure
3 ;
ilsindiquent
que :-
4 des 5
plantes
étudiées ont àl’égard
de la microflore- R.
japonicum
est 12 à 21 foisplus
abondant dans le solrhizosphérique
dusoja
var.« Chippewa
nodulante » quedans le sol normal.
Il est toutefois délicat de comparer les
systèmes
racinaires des différentesplantes,
lesrapports
terre sèche/racinessèches
(R
I
)
n’étant pasidentiques
(fig. 3).
B. Le
rhizoplan
L’intensité de colonisation du
rhizoplan
estthéorique-ment
exprimé
par la densité demicroorganismes
par gramme de racines(DOMMERGUES, 1970)
soitR
o
(tabl. 3).
La mise ensuspension
de nouvellesparticules
de sol lors dulavage
intensif des racines nous a conduits àexprimer
les résultats sous une 2cforme(Rapports Rn/S).
Lesquantités
relatives de terre
prises
encompte
dans lerhizoplan
sontexprimées
par lesrapports
R,
(poids
de terre sèche mise ensuspension/poids
sec deracines).
La définition deR,
estuniquement
opérationnelle
et se trouve entachée d’une certaineimprécision puisque
l’on ne connaîtjamais
rapports
R,
étantcependant
relativement voisins(proche
del’unité)
pour toutes lesvariétés,
il estpossible
de comparerles différents résultats obtenus pour celles-ci.
Quel
que soit le mode dereprésentation
des résultatsR
o
ouRn/S,
onobserve les mêmes tendances de stimulation.
Nous pouvons retenir deux groupes de cultivars pour le
soja :
- «
Fiskeby
» et « Chin-Chuan » avecR
o
de l’ordre de10
1
(moyennes :
5,11.10
6
et10,4.10
6
respectivement
pour les 2variétés),
Rn/S de l’ordre de 103(1265
et 2 609 enmoyenne dans les 2
cas).
- «
Hodgson
» et « Giessen »,présentant
unestimula-tion
plus
faible ;
R
o
de l’ordre de 105(6,4.10
5
et5,3.10
5
respectivement)
et Rn/S de l’ordre de 102(162
et132,6).
IV. DISCUSSION
L’inoculation des semences de
légumineuses
estcouram-ment réalisée
mais,
généralement,
seules l’infectivité et l’efficience des souches sont retenues comme critère desélection
(LAGACH
ERIE
etal.,
1977).
Les résultats donnés dans cet article concernent
plus
spécialement
lacompétence saprophytique
et montrent queles 2 souches
G
2
etG
3
se maintiennent à un niveau voisin decelui de l’introduction dans les sols L et M incubés dans les conditions décrites et ce
pendant
2 mois. Ces 2 mêmes souches sont d’ailleurscapables
de survivrependant
plu-sieurs années dans des solsagricoles
enplace, qu’elles
aientété
apportées
par inoculation directe des sols(OBATON
&G
IR
AUD,
1977)
ou par inoculation desgraines
desoja
(L
AGACHERIE
,
1978).
Il est mêmepossible
que pour unesouche et un sol
donnés,
lapopulation
introduite se stabiliseà un seuil
d’équilibre
selon un modèlemathématique
dutype
logistique (C
ROZAT
,
1980).
L’immunofluorescence ne
permet
pas dedistinguer
lescellules vivantes des cellules mortes. D’une manière
géné-rale,
les bactéries sont décelées aussilongtemps
que lesstructures
antigéniques
sont intactes. La durée deconserva-tion de ces structures est, dans nos conditions
expérimenta-les,
d’environ 15jours. Après
cettepériode,
seules les cellules vivantes seront dénombrées. Ces résultats sont enaccord avec ceux obtenus par BOHLOOL& SCHMIDT
(1973).
L’étude de la
rhizosphère
s. str. met en évidence uneplus
grande
abondance de R.japonicum
dans le sol adhérent auxracines que dans le sol témoin. Parmi l’ensemble des
plantes
testées,
c’est la variété desoja
«Chippewa
nodulante »qui
exerce la stimulation la
plus importante.
Nous pouvonsformuler
plusieurs hypothèses
quant
àl’origine
de celle-ci :d’une
part,
après
2 mois deculture,
lesplantes
desoja
portent
ungrand
nombre de nodules biendéveloppés.
Etantdonné la relative
pauvreté
du sol en azoteminéral,
cetteabondante nodulation assure au
soja
une nutrition azotéesupérieure
à celle des autresplantes,
avantage pouvant
entraîner en retour une exsudation
plus importante
demétabolites azotés entre autres.
On
sait,
d’autrepart,
qu’une proportion importante
de cordons d’infection avortent et neprovoquent
pasl’appari-tion de nodosités fonctionnelles
(D
ART
,
1974).
Il y apourtant
eu au sein duvégétal
un début demultiplication
intense et
spécifique
de la bactérie infective. Si onenvisage
la
desquamation
despoils
absorbants au cours de la croissance de laplante
etcompte
tenu despossibilités
de survie de R.japonicum
dans lesol,
il estlogique
d’observerun
grand
nombre de ces bactéries dans larhizosphère
de laplante
hôte. Ces 2hypothèses
ontdéjà
été discutées parN UTMAN
(1965).
Par ailleurs la
possibilité
pour desplantes
nonlégumineu-ses de
supporter
dans leurrhizosphère
despopulations
importantes
deRhizobium
est un facteurpouvant
expliquer
ladispersion
et la survie de Rhizobium en l’absence de laplante
hôte(PARKER
etal.,
1977).
Nous avons noté au cours de notre
expérimentation
ausujet
durhizoplan
que l’intensité de la stimulation varie pour un stadevégétatif
donné selon legénotype
de laplante
hôte. Cette stimulation est
généralement
forte ;
nous avonsmême constaté
qu’il
existait unecompétition
intraspécifique
pour l’utilisation des substrats libérés par la
plante
(CROZAT, 1980).
La
multiplication
différentielle de 2 souches dans larhizosphère,
bien que constituant une desphases
de lacompétence saprophytique
définiepar CHATE1. et al.
(1968),
est une
étape
trèsimportante précédant
immédiatement laphase
decompétition
pour l’infection tellequ’elle
a été définie par AMARGER(1974).
Une meilleure connaissance de son mécanisme et de sonimportance
dans lephénomène
global
de lacompétition
pour la nodulation nous sembleindispensable
si on veut réintroduire avec succès dans lesol,
de nouvelles souches de Rhizobium
plus
efficientes.Reçu le 10 avril 1981. Accepté le 5 novembre 1981.
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