Fig 1: Microscopie électronique de la souche Azospirillum lipoferum 4B cultivée en milieu liquide. (F, flagelle polaire; barre, 1 µm). Source : Alexandre et al. 1999, Applied Environmental Microbiology, 65, 7401.

    Azospirillum est une bactérie mobile, à Gram négatif, appartenant à l'ordre des Rhodospirillales, associée avec les racines des monocotylédones, notamment des cultures importantes comme le blé, le maïs et le riz. Plusieurs souches d'Azospirillum ont montré des effets bénéfiques sur la croissance des plantes et sur le rendement des cultures, en serre ou dans des essais au champ, sous divers sols et diverses conditions climatiques, et sont donc qualifiées de Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR). Par exemple, jusqu'à un million d'hectares de maïs sont biofertilisés avec Azospirillum au Mexique, avec succès. Dans un contexte d'agriculture durable, l'inoculation des cultures par Azospirillum représente une alternative intéressante afin de réduire les intrants chimiques.

Fig 2: Effet d'une inoculation par Azospirillum lipoferum sur la morphologie racinaire du riz. (A) témoin non inoculé ; (B) riz inoculé avec une souche d' A. lipoferum. Source : UMR-CNRS 5557 Centre d'Ecologie Microbienne.

Azospirillum peut établir une symbiose associative avec les céréales mais contrairement aux symbioses mutualistes (comme les rhizobia avec les plantes légumineuses), l'association n'est pas accompagnée par la formation de nouveaux organes. Azospirillum agit sur la plante de manière directe, via la fixation d'azote, la synthèse de phytohormones (notamment l'acide indole-3-acétique, AIA), et la modulation de la balance hormonale de la plante par la désamination du précurseur de l'éthylène 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC). Ces propriétés peuvent améliorer l'élongation et la ramification du système racinaire, ce qui favorise l'absorption de l'eau et des minéraux du sol (Fig. 2). L'établissement de la symbiose associative entre la PGPR Azospirillum et la plante débute à un stade précoce, c.a.d. pendant la colonisation bactérienne des graines en cours de germination.

Deux espèces d'Azospirillum ont été initialement décrites en 1978: A. brasilense et A. lipoferum. Onze espèces ont désormais été décrites. La majorité des études portant sur Azospirillum, notamment sur ses propriétés phytobénéfiques, ont été menées sur Azospirillum brasilense, espèce chez laquelle les outils génétiques sont plus facilement utilisables que chez l'espèce Azospirillum lipoferum. Le séquençage du génome d'une souche de A. brasilense isolée du blé est actuellement en cours à l'Université du Tennessee et à Oak Ridge National Laboratory (USA) par l'équipe de Igor B. Zhulin (financement de la National Science Foundation, EF-0412186). Afin de procéder à des études de génomique comparative, le projet actuellement en cours au Genoscope s'est focalisé sur la souche 4B de l'espèce Azospirillum lipoferum.

Fig 3: Colonisation des racines de riz par A. lipoferum 4B marquée à l'EGFP, analysée par microscopie confocale à balayage laser. Source : UMR-CNRS 5557 Centre d'Ecologie Microbienne.

Azospirillum lipoferum 4B a été isolée d'une rizière en Camargue (sud de la France) en 1982 et a été étudiée pour son efficacité à fixer l'azote, pour ses propriétés de colonisation du riz (Fig. 3) et de stimulation de croissance végétale. En plus de son utilisation potentielle en agronomie, Azospirillum lipoferum 4B présente des caractéristiques intéressantes, comme la présence d'un prophage inductible et le phénomène de variation de phase, un processus adaptatif générant une diversité intrapopulation qui s'avère important pour l'adaptation à une niche écologique ou pour échapper aux défenses d'un hôte eucaryote. Les variants émergent spontanément à une fréquence de 10-4 à 10-3 par cellule et par génération in vitro. De plus, la souche A. lipoferum 4T, un isolat atypique de A. lipoferum non-mobile laccase-positif, a été isolée simultanément et de la même rhizosphère du riz que la souche A. lipoferum 4B, et représente vraisemblablement la forme variante générée dans l'écosystème sol. Récemment, il a été montré que la variation de phase s'accompagnait de réarrangements génomiques majeurs, avec la perte d'un plasmide de 750 kb, dans le variant et dans l'isolat A. lipoferum 4T. Cette plasticité génomique soulève de nombreuses questions concernant la microévolution de Azospirillum dans un environnement fluctuant comme le sol.