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Un laboratoire universitaire achète le spectromètre de masse SYNAPT G2-Si pour décoder la symphonie du sol

Le Dr David Weller est un scientifique qui n'a pas peur de se salir les mains.

M. Weller est chef de recherche de l'unité de recherche sur la santé, la génétique et la qualité du blé des services de recherche agricole du département de l'Agriculture des États-Unis à l'Université d'État de Washington (WSU), à Pullman, dans l'État de Washington. Sa spécialité est la pathologie végétale et les recherches de pointe menées par son unité de recherche permettent de résoudre des problèmes partout dans le pays, voire dans le monde, touchant la production de petites céréales, de blé et d'orge.

Plus près de chez lui, cela signifie qu'il est chargé d'étudier les causes des maladies qui frappent les cultures de blé du plateau de Columbia, dans le nord-ouest des États-Unis, l'une des régions productrices de blé les plus productives au monde.

"Le plus grand levier pour un avenir durable et sain pour les sept milliards d'habitants de la planète se trouve sans doute immédiatement sous nos pieds : le sol vivant, où nous cultivons nos aliments."
- Mike Amaranthus dans The Atlantic1

Les phytologues savent que tout échantillon de sol contient plus de 30 000 microbes taxonomiques2, dont la plupart étaient inconnus de la science jusqu'à très récemment. Les centaines de milliers de petits composés, ou métabolites, qui peuplent la rhizosphère - le microhabitat entourant les racines des plantes où la composition physique, chimique et biologique du sol est influencée par la plante - sont encore moins connus. Certaines de ces molécules du sol sont des antibiotiques naturels produits par des bactéries du sol qui suppriment les agents pathogènes qui détruisent les racines. Ces bactéries sont depuis devenues des objets d'intérêt intense en tant que moyens pratiques de lutte contre les maladies.

Pour mieux explorer les mystères de la rhizosphère, le Dr Weller a investi dans un système UPLC ACQUITY H-Class et un spectromètre de masse SYNAPT G2-Si grâce à une subvention du ministère américain de l'Agriculture.

"Ce nouveau spectromètre de masse nous aide à comprendre la symphonie chimique qui se déroule dans les racines et la zone racinaire", a déclaré M. Weller.

Pour célébrer l'acquisition du système LC-MS, WSU et l'USDA organisent conjointement un symposium d' une demi-journée sur la métabolomique végétale et une visite du laboratoire le mardi 21 mars.

"Les bactéries indigènes constituent la première et la plus puissante barrière pour empêcher l'établissement d'agents pathogènes. Une communauté diversifiée est particulièrement importante pour éloigner les agents pathogènes - cela est vrai dans l'intestin humain et dans le sol."
- Alexandre Jousset, Université Georg-August2

Le mystère du déclin de la vente à emporter est percé.

La LC-MS n'est pas une nouveauté pour le laboratoire de phytopathologie de la WSU. Son spectromètre de masse Micromass QTof II, un spectromètre de masse quadripolaire à temps de vol que le laboratoire a acheté au début des années 1990, fonctionne toujours comme s'il était neuf, grâce au scientifique principal Bob Bonsall, biochimiste au département de phytopathologie et acteur clé de la science des sols.

Les recherches de Bonsall ont permis de démontrer pour la première fois que les antibiotiques sont produits par des microbes bénéfiques sur les racines et que ces antibiotiques suppriment les champignons pathogènes des racines dans le sol3. Ce point a été débattu pendant plus de 60 ans dans la littérature jusqu'à ce que des preuves sans équivoque soient fournies à la fois par la génétique et par l'isolement direct de l'acide phénazine-1-carbolylique par Bonsall.

Plus tard, Bonsall a contribué à des recherches qui ont montré que la suppression naturelle de la maladie du blé, connue sous le nom de déclin du blé (la plus importante maladie des racines du blé dans le monde), résultait de la colonisation des racines par des bactéries qui produisent l'antibiotique 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG).

"Les biologistes des plantes commencent seulement à effleurer la surface des façons souvent surprenantes dont le microbiote du sol a un impact sur les plantes..."
- Amy Coombs dans The Scientist2

"La métabolomique peut nous donner une vue d'ensemble des événements biochimiques associés au blé", a déclaré M. Bonsall. "La fonction de mobilité ionique du SYNAPT, combinée au logiciel Progenesis, nous permettra pour la première fois de passer rapidement en revue les milliers de métabolites du métabolome du blé et d'identifier les biomarqueurs clés qui permettront de prédire le potentiel de rendement élevé, la résistance aux maladies et au stress, et/ou la qualité de l'utilisation finale des cultivars de blé", a ajouté M. Bonsall.

Ce que les scientifiques de la WSU apprennent sur le microbiome du sol dans l'État de Washington a considérablement contribué à ce que nous savons sur la culture non seulement du blé, mais aussi des plantes racines dans le monde entier.

"Nous, phytopathologistes, partageons tous un intérêt commun et une passion pour l'utilisation de micro-organismes bénéfiques afin d'améliorer la croissance des plantes et de résoudre le problème de la faim dans le monde", a déclaré M. Weller.

Une collaboration entre le monde universitaire et l'industrie

"Waters nous a toujours apporté une aide précieuse, qu'il s'agisse de formation, d'expertise en matière d'applications, d'interprétation des données ou de maintenance préventive", a déclaré Bonsall. "En travaillant avec Waters, nous avons pu appliquer la spectrométrie de masse de manière unique et percer certains des secrets du métabolome du sol. Il s'agit d'une véritable collaboration dans tous les sens du terme."

L'un des acteurs les plus proches de la recherche en sciences végétales de la WSU est le Dr Ken Rosnack, spectrométriste de masse et directeur principal du développement commercial chez Waters Corporation.

"À ma connaissance, c'est la première fois que la mobilité ionique est appliquée à ce domaine de la recherche de biomarqueurs", a déclaré M. Rosnack. La mobilité ionique est une caractéristique du système SYNAPT qui distingue les molécules en fonction de leur taille, de leur charge ionique et de leur forme. "Il est bon de voir la WSU appliquer cette technologie pour sonder le métabolome du sol et faire progresser notre compréhension de la microbiologie de la rhizosphère et de la pathologie végétale."

Au-delà de la recherche sur la métabomique des sols, M. Weller voit d'autres possibilités pour le nouveau spectromètre de masse du laboratoire.

"Maintenant que le SYNAPT est opérationnel, je vois une technologie totalement nouvelle qui pourrait potentiellement aider les généticiens à prédire quelles lignées de blé sont susceptibles d'avoir une qualité réduite sur la base de biomarqueurs du grain."

Ressources supplémentaires :

1. Healthy Soil Microbes, Healthy People, The Atlantic, 2013 juin.
2. Fighting Microbes With Microbes, The Scientist, 2013 Jan.
3. Role of 2,4-Diacetylphloroglucinol-Producing Fluorescent Pseudomonas spp. in the Defense of Plant Roots, Plant biol (Stuttg) 2007 ; 9(1) : 4-20 DOI : 10.1055/s-2006-924473