Classification de la plante

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10857 (2022) Citer cet article

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La rhizosphère, la région du sol entourant les racines des plantes, est colonisée par une population unique de rhizobactéries favorisant la croissance des plantes (PGPR). De nombreux PGPR importants ainsi que des pathogènes végétaux appartiennent au genre Pseudomonas. Il existe cependant une incertitude quant à la distinction entre les souches bénéfiques et pathogènes, car on pensait auparavant que les caractéristiques génomiques avaient un pouvoir limité pour séparer ces souches. Ici, nous avons utilisé le système d'annotation des voies biologiques communes des propriétés du génome (GP) et l'apprentissage automatique (ML) pour établir la relation entre la composition des GP à l'échelle du génome et le mode de vie associé aux plantes de 91 souches de Pseudomonas isolées de la rhizosphère et de la phyllosphère représentant les deux plantes. -phénotypes associés. L'analyse d'enrichissement GP, l'ajustement du modèle Random Forest et la sélection des caractéristiques ont révélé 28 caractéristiques discriminantes. Un ensemble de tests de 75 nouvelles souches a confirmé l'importance des caractéristiques sélectionnées pour la classification. Les résultats suggèrent que les annotations GP constituent un outil informatique prometteur pour mieux classer le mode de vie associé aux plantes.

Parmi les objectifs fixés par les Nations Unies pour atteindre l’objectif faim zéro, est précisée la nécessité de doubler la production agricole alimentaire1. Les tentatives antérieures visant à améliorer les performances et la production des plantes étaient axées sur la sélection végétale, la lutte antiparasitaire par des moyens chimiques et la mise en œuvre d'engrais synthétiques exploitant des réserves mondiales limitées2,3. Même si ces stratégies ont réussi à améliorer la production, les effets négatifs croissants sur l’environnement nous mettent au défi de trouver des alternatives durables4,5,6.

Une multitude d’études ont démontré que les microbiomes coopératifs peuvent jouer un rôle positif important dans la croissance, le développement et la condition physique des plantes2,3,7. Un point chaud particulier est la rhizosphère, la région du sol entourant les racines des plantes, colonisée par les rhizobactéries favorisant la croissance des plantes (PGPR)8. Une population stable de PGPR peut augmenter la tolérance au stress, la croissance et le rendement des plantes cultivées en améliorant l'absorption des nutriments du sol et en modulant le statut et le métabolisme des phytohormones des plantes7,9,10,11,12,13,14,15. Les PGPR les plus étudiés sont les Pseudomonas spp., un groupe fonctionnellement diversifié représentant des espèces bénéfiques pour les plantes ainsi que des espèces pathogènes (opportunistes) telles que P. syringae qui peuvent vivre à la surface des plantes en tant qu'épiphyte. Dans de bonnes conditions, P. syringae peut également coloniser les tissus intérieurs de la plante et provoquer des maladies16,17,18.

Le mode de vie associé aux plantes d’une souche de Pseudomonas est le résultat d’un large spectre de voies d’interaction plante-hôte. Les approches corrélationnelles basées sur le génome ont identifié un certain nombre de gènes marqueurs contribuant au phénotype19,20,21. Ces gènes marqueurs sont cependant, dans une certaine mesure, partagés entre les deux groupes22 et par conséquent, l’incertitude sur la fracture augmente à chaque nouveau génome ajouté. Jusqu’à présent, il manque une description générique de la présence et de l’exhaustivité des fonctions et voies biologiques contribuant au mode de vie associé aux plantes d’une souche de Pseudomonas. De telles connaissances apporteraient des informations fondamentales sur leur potentiel à améliorer les performances et la résilience des centrales.

La génomique fonctionnelle comparative est possible lorsque les gènes sont placés dans un contexte biologique. Genome Properties (GP) est un système d'annotation fonctionnelle basé sur un domaine grâce auquel des attributs fonctionnels peuvent être attribués à un génome23. La ressource représente une collection de 1 286 voies biologiques communes mises en évidence par un ensemble distinct de domaines protéiques. Pour une comparaison fonctionnelle à plus grande échelle, les domaines protéiques sont mieux évolutifs et moins sensibles à la variation de séquence par rapport aux techniques basées sur la similarité de séquence 24,25. Ici, nous avons appliqué la génomique fonctionnelle basée sur la GP en utilisant un total de 1 286 caractéristiques et techniques d'apprentissage automatique pour comparer 91 souches de Pseudomonas entièrement séquencées avec un mode de vie documenté : 58 souches de Pseudomonas vivant dans le sol classées comme PGPR et 33 pathogènes végétaux connus, principalement P épiphytes. seringae (EPP). Comme les souches ayant des modes de vie différents appartiennent souvent à une seule espèce, il a été suggéré que les îlots génomiques gagnés et perdus par recombinaison homologue pourraient coder pour des déterminants importants du mode de vie associé aux plantes26. Une analyse à l'échelle du système des propriétés du génome codées par ces régions variables nous a permis de classer avec précision les souches de Pseudomonas et d'identifier de nouvelles caractéristiques fonctionnelles discriminantes pouvant contribuer au mode de vie associé aux plantes. Dans la section discussion, ces caractéristiques discriminantes sont placées dans un contexte biologique.