Analyse de la composition et des différences des communautés bactériennes endophytes dans différents états de dormance des graines de Qianghuo
Notopterygium incisum Ting ex H. T. Chang est une espèce végétale de la famille des ombellifères. Ses rhizomes séchés sont utilisés comme médicaments et sont couramment utilisés dans la médecine traditionnelle chinoise et tibétaine, connue sous le nom de médecine noire. La demande du marché est élevée. À l'heure actuelle, le Qianghuo provient essentiellement de ressources sauvages et est principalement réparti dans des zones de prairies arbustives à une altitude de 3 000 à 4 500 mètres dans le Sichuan, le Gansu, le Qinghai et d'autres endroits. Ces dernières années, l'excavation excessive a causé d'importants dommages à l'environnement écologique, et les ressources vivantes du Qiang sauvage sont en voie d'épuisement. Il est donc urgent de procéder à une domestication et à une culture artificielles.
Lorsque les graines de Qianghuo mûrissent et atterrissent, le développement de l'embryon est incomplet, et il n'y a souvent pas d'embryon ou un phénomène d'embryon primitif. Les graines de Qianghuo présentent une double dormance, morphologique et physiologique, et appartiennent aux graines à dormance profonde. Le taux de germination des graines de Qianghuo en milieu naturel est extrêmement faible (0,52%). La méthode efficace actuelle pour lever la dormance des graines de Qianghuo est la méthode de stockage dans le sable à température variable + GA. Tout d'abord, la méthode de stockage dans le sable à température chaude est utilisée pour lever leur dormance morphologique, puis un traitement de stockage dans le sable à basse température est nécessaire pour lever leur dormance physiologique avant que les graines puissent avoir une capacité de germination. Le traitement des semences peut durer plus de 8 mois. En utilisant cette méthode pour traiter les graines de Qianghuo, le taux de germination le plus élevé est de 21,2%. En outre, le cycle de croissance des herbes médicinales Qianghuo est de plus de 4 ans, et en raison de la longueur du cycle d'investissement et de la lenteur de l'efficacité, le développement de la culture artificielle est très lent. Actuellement, seules des cultures sporadiques sont disponibles, ce qui ne permet pas de répondre aux besoins de développement durable du marché du Qianghuo. La technologie de levée manuelle de la dormance des graines de Qianghuo n'a pas fait de progrès décisifs au cours de la dernière décennie, ce qui constitue l'un des principaux problèmes limitant la culture à grande échelle du Qianghuo.
Les bactéries endophytes des plantes sont des champignons ou des bactéries qui vivent dans divers tissus et organes de plantes saines à certains ou à tous les stades de leur cycle de vie. Elles forment une relation mutualiste complexe et particulière avec la plante hôte dans le cadre d'une coexistence à long terme et favorisent la division cellulaire, le développement des racines et la croissance des semis en augmentant le métabolisme de l'auxine et des mitogènes dans la plante. La dormance des graines est contrôlée par l'équilibre entre les promoteurs de croissance de la gibbérelline et les inhibiteurs de croissance de l'acide abscissique. Des recherches ont montré que les bactéries endophytes peuvent réguler la dormance des graines en régulant ou en induisant la synthèse d'hormones endogènes dans les plantes, ce qui fournit une base théorique pour l'exploration des ressources en bactéries endophytes ayant des fonctions de promotion de la croissance dans les graines. Pu Fengya et al. ont découvert que les bactéries endophytes présentes dans les larmes de Job peuvent augmenter le taux de germination des larmes de Job, du riz et des graines de blé, et favoriser la croissance des semis en induisant la croissance des racines. Lei Ruifeng a découvert que les bactéries endophytes présentes dans les graines de criquet argenté favorisent la germination des graines en régulant leur métabolisme. Xiang Yiqing et d'autres chercheurs ont découvert que les bactéries endophytes présentes dans les graines de Huanglian peuvent améliorer de manière significative le taux de germination des graines de Huanglian. Les bactéries endophytes du poivre de Sichuan (Capsicum annuum), du riz (Oryza sativa L.) et du Dendrobium catenatum favorisent directement la croissance et le développement des plantes hôtes en sécrétant des hormones endogènes telles que l'auxine, l'acide abscissique, la cytokinine, l'acide gibbérellique, etc. Les bactéries endophytes isolées des graines d'Achnatherum inebrians, de Dendrobium nobile et de Lolium rigidum, ainsi que les bactéries endophytes isolées des racines de Polygonatum multiflorum L., régulent la dormance des graines en sécrétant des hormones endogènes telles que la cytokinine, améliorant ainsi de manière significative leur taux de germination et de survie. Cependant, les bactéries endophytes présentes dans les graines de Qianghuo peuvent-elles promouvoir la levée de la dormance en favorisant la croissance de l'embryon ? Sur cette base, cette expérience prend les graines de Qianghuo comme objet de recherche et utilise la technologie de séquençage à haut débit Illumina MiSeq culture free pour étudier la composition et les différences des communautés bactériennes endophytes dans différents états de dormance des graines de Qianghuo. Cette étude fournit une base théorique pour d'autres recherches sur l'utilisation de micro-organismes pour lever la dormance des graines de Qianghuo et fournit également d'importantes références théoriques pour la culture de plantes présentant des caractéristiques de dormance similaires.

En tant qu'organe reproducteur important des plantes, les semences peuvent servir de support pour la transmission de micro-organismes bénéfiques des plantes mères à la génération suivante par propagation verticale, favorisant ainsi la germination des semences et la croissance des plantules. Les bactéries endophytes présentes dans les graines de graminées telles que le riz et le maïs jouent un rôle important dans la germination des graines, la croissance et le développement des plantules et la croissance de la plante hôte. Les graines de Dendrobium nobile Lindl. présentent une post-maturation et manquent de tissu endosperme, ce qui nécessite une symbiose avec des micro-organismes pour la germination. Les bactéries endophytes dominantes sont principalement des protéobactéries et des cyanobactéries. Cette étude a montré que les graines de Qianghuo se trouvent dans trois états de dormance différents et que les types de communautés bactériennes endophytes sont similaires au niveau du phylum. Les bactéries endophytes sont principalement composées de protéobactéries, d'actinobactéries et de Firmicutes, ce qui est cohérent avec les phyla bactériens endophytes dominants d'autres graines de plantes. Cependant, par rapport aux graines de Dendrobium officinale, son phyla bactérien endophyte dominant présente des différences. Les types de sécrétions végétales et la capacité des micro-organismes à coloniser les graines, à y survivre et à s'y propager varient, ce qui se traduit par des différences dans les bactéries endophytes des différentes graines végétales. Comme les bactéries endophytes présentes dans les graines proviennent de différents organes végétaux ou tissus méristématiques, elles sont transférées et colonisent l'embryon et l'endosperme de la graine par l'intermédiaire des connexions microtubulaires ou des gamètes, et se propagent verticalement. Les graines des plantes médicinales Qianghuo et Dendrobium officinale ont toutes deux des difficultés à germer en raison de leurs caractéristiques de dormance. Toutefois, des études ont montré que les phyla bactériens endophytes dominants des deux plantes présentent des différences, qui peuvent être dues à leurs différentes sources de bactéries endophytes. Les graines de Qianghuo sont dormantes en raison d'un développement embryonnaire incomplet et leurs bactéries endophytiques proviennent principalement de l'endosperme, tandis que les graines de Dendrobium officinale sont dormantes en raison de l'absence d'endosperme. Leurs bactéries endophytiques proviennent principalement de l'embryon, ce qui explique les différences de types de phylum entre les deux. On suppose que les graines de Qianghuo doivent également coexister avec des micro-organismes pour germer. Une petite quantité de bactéries endophytes appartenant à l'embranchement des Bacteroidetes (2,01%) est apparue dans les graines de Qianghuo à l'état GSC, tandis que des champignons endophytes inconnus appartenant à l'embranchement des Bacteroidetes sont apparus dans 24,33% et 7,74% des graines à l'état GSB et à l'état GSC, respectivement. Ces bactéries endophytes peuvent jouer un rôle important dans la promotion de la croissance des embryons de graines et la levée de la dormance des graines, et feront l'objet de recherches futures. Les champignons endophytes sont très abondants et diversifiés dans les graines de nombreuses plantes. Les champignons endophytes des graines de Qianghuo sont principalement composés d'Ascomycota et de Basidiomycota, ce qui correspond aux champignons endophytes dominants dans les graines de Phaseolus vulgaris L. et de Dendrobium nobile.

Au niveau du genre, la composition des communautés bactériennes endophytiques change entre la GSA et la GSB, et les types de communautés bactériennes endophytiques sont similaires entre la GSB et la GSC. L'analyse de la diversité alpha a révélé que la diversité des bactéries endophytes de la GSA était significativement plus faible que celle de la GSB et de la GSC, tandis qu'il n'y avait pas de différence significative dans la diversité des bactéries endophytes entre la GSB et la GSC. La raison principale peut être que dans l'état GSA, l'embranchement des Proteobacteria avait un avantage absolu, représentant 97,08%, inhibant ainsi la croissance d'autres bactéries. En revanche, les graines dans les états GSB et GSC ont été dans un environnement relativement hypoxique pendant une longue période, ce qui a entraîné une concurrence relativement moindre entre les micro-organismes et aucun effet inhibiteur significatif entre les micro-organismes, conduisant à un indice de diversité plus élevé que dans l'état GSA. Il n'y a pas eu de différence significative dans la diversité des communautés de champignons endophytes pendant toute la durée du processus de levée de la dormance des graines. L'analyse de la diversité Beta PCoA a révélé que la structure de la communauté des bactéries endophytes subissait des changements significatifs de l'état GSA à l'état GSB, puis à l'état GSC, tandis que la structure de la communauté des champignons endophytes ne changeait pas de manière significative de l'état GSA à l'état GSB jusqu'à la levée de la dormance physiologique des semences. Les graines de Qianghuo mûrissent et atterrissent, et n'ont une capacité de germination qu'après un traitement de stratification à long terme au chaud et à basse température. Au cours de cette période, la structure de la communauté bactérienne endophyte des graines change, ce qui indique qu'il s'agit de l'un des principaux facteurs influençant la capacité de germination des graines de Qianghuo, et que son mécanisme d'action doit faire l'objet de recherches plus approfondies.
Le rôle des bactéries endophytes dans les graines de plantes n'a pas été élucidé, mais un grand nombre d'études ont montré que les bactéries endophytes ont des effets régulateurs sur les plantes hôtes et les graines. Les bactéries endophytes du ray-grass peuvent produire des cytokinines et interagir avec les hormones végétales produites par la plante, régulant ainsi la dormance des graines. Les bactéries endophytes présentes dans les semences peuvent également favoriser la croissance des plantes en produisant des hormones végétales ou en facilitant l'absorption des nutriments végétaux, en particulier l'azote et le phosphore. Cette étude a analysé plus en détail les micro-organismes caractéristiques de la GSA, de la GSB et de la GSC au niveau du genre. Il y avait au total 15 bactéries endophytes et aucun micro-organisme caractéristique dans les champignons endophytes. Ces micro-organismes étaient relativement abondants dans leurs stades de dormance respectifs par rapport aux autres stades de dormance, et peuvent jouer un rôle important dans la levée de la dormance morphologique et physiologique des graines de Qiangfu, ce qui en fait une population microbienne clé pour les recherches futures. Parmi eux, les genres bactériens dominants dans le statut GSA sont Erwinia et Pseudomonas. Pseudomonas est impliqué dans le processus d'altération de nombreux fruits et légumes, environ 50% à 90% des bactéries d'altération étant des Pseudomonas. La pectine acide lyase et l'enzyme pectine méthylgalacturonate sécrétées par Erwinia ont un effet synergique sur le ramollissement des tissus végétaux, ce qui peut dégrader la pectine de la paroi cellulaire de la plante et provoquer le ramollissement et l'altération. Les résultats de cette étude indiquent que les graines de Qiangfu fraîchement récoltées doivent être rapidement stockées dans du sable afin d'éviter la détérioration et d'affecter la germination des graines. Huang Zhiyuan et al. ont constaté que l'abondance relative du genre Erwinia dans les pousses de bambou Phyllostachys nuda diminuait avec l'augmentation de la température de stockage. Cette étude a révélé que l'abondance des graines de Qiangfu fraîchement récoltées diminuait de manière significative après un traitement à température élevée (15 ℃), ce qui est cohérent avec les résultats des recherches précédentes. Cela peut être lié au fait que l'endosperme des graines a été soumis à une température chaude et à un traitement de stockage dans le sable, et que les genres bactériens dominants qui ont décomposé l'endosperme ont produit une grande quantité d'énergie pour le développement des embryons, ce qui a indirectement inhibé leur croissance. Lorsque les graines de Qianghuo mûrissent et tombent, l'embryon ne s'est pas encore développé et doit être stocké dans du sable chaud pendant 8 mois pour lever sa dormance morphologique, ce qui est lié à la présence d'inhibiteurs de germination difficilement biodégradables dans l'endosperme. Le genre Red Swimming bacteria a une capacité de dénitrification et est une bactérie fonctionnelle qui peut dégrader la matière organique et certains composés contenant de l'azote qui sont difficiles à biodégrader. Cette étude a révélé que dans l'état de GSB, les bactéries endophytes dominantes sont le genre des bactéries à nage rouge et le genre Catellatospora, qui peuvent jouer un rôle dans la dégradation des inhibiteurs de germination et la promotion de la croissance des embryons, et sont les groupes microbiens clés pour les recherches futures. Les genres bactériens dominants dans le statut CGC sont les genres Deinococcus, Steridobacterium, Rhizobium, Mucococcus, Mycobacterium, Hydrobacteria, Micromonospora, Actinobacteria, Bacillus, Flavobacterium et Myceticola. Des recherches ont montré que le genre Dvoras est une bactérie fixatrice d'azote ; les rhizobia à croissance lente ont la capacité de dissoudre les phosphates inorganiques, ce qui peut augmenter la teneur en pigments de la photosynthèse des plantes ; la souche Mycetocola a été initialement découverte sur le glacier Mi Dui et est un micro-organisme résistant au froid. Après avoir été libérées de la dormance par un stockage dans du sable chaud, les graines de Qianghuo n'ont pas la capacité de germer. Elles doivent être traitées avec du sable stocké à basse température avant de pouvoir germer. On suppose qu'après la levée de la dormance, l'endosperme sera épuisé et incapable de fournir l'énergie nécessaire à la poursuite de la croissance de l'embryon et de la racine embryonnaire. Les produits azotés issus de la dégradation des inhibiteurs de germination contenant de l'azote par les micro-organismes mobiles rouges accumulés pendant la phase de levée de dormance ne peuvent pas être directement absorbés par l'embryon. Ils doivent être convertis en azote qui peut être absorbé par la plante par les micro-organismes fixateurs d'azote pour promouvoir la croissance de l'embryon et la percée des racines embryonnaires à travers l'enveloppe de la graine. On suppose que les micro-organismes fixateurs d'azote doivent coopérer avec les micro-organismes Myceticola pour se développer normalement, tandis que les micro-organismes Myceticola ne peuvent se développer normalement que dans des environnements à basse température. Par conséquent, les graines de Qianghuo doivent subir une période de temps après la levée de la dormance. Ce n'est qu'après un traitement à basse température que la racine embryonnaire peut percer l'enveloppe de la graine et que les graines peuvent germer. On suppose que les micro-organismes caractéristiques des rhizobia à croissance lente dans les embryons à l'état GSC peuvent augmenter la teneur en pigments photosynthétiques dans les embryons, préparant ainsi la photosynthèse dans les embryons.
Étant donné que les graines de Qianghuo mûrissent et atterrissent sous forme d'embryons prototypes ou sans embryons, la croissance des embryons de graines pendant la culture artificielle est très lente, ce qui entraîne une longue durée de germination et un processus de germination difficile pour les graines de Qianghuo. Il faut jusqu'à 11 mois pour germer à l'état naturel. Il est urgent de trouver des micro-organismes qui favorisent la croissance des embryons de graines pour lever leur dormance morphologique et physiologique, afin de soutenir fortement le développement de la culture artificielle du Qianghuo. Cette expérience a permis de réaliser une étude approfondie de la composition de la structure de la communauté et des différences entre les bactéries et les champignons endophytes dans différents états de dormance des graines de Qiangfu grâce à des méthodes de séquençage à haut débit sans culture. Les micro-organismes caractéristiques de chaque état de dormance ont été analysés. Cet article apporte une nouvelle idée sur l'utilisation des méthodes microbiennes pour lever la dormance des graines de Qiangfu, comble les lacunes dans le domaine de la recherche sur la promotion microbienne de la levée de la dormance des graines et jette les bases d'une utilisation plus poussée de ces ressources bactériennes endophytiques potentielles ayant des effets de promotion de la levée de la dormance pour améliorer le taux de germination des graines de Qiangfu et promouvoir leur développement normalisé dans la culture artificielle. Il devrait fournir des orientations théoriques pour l'utilisation de méthodes microbiennes telles que l'ingénierie des souches ou les préparations microbiennes pour lever rapidement la dormance des graines.