Le charançon des céréales, un des principaux ravageurs de cultures, possède des bactéries symbiotiques qui vivent à l’intérieur de ses cellules. Des scientifiques d’INRAE et de l’INSA-Lyon, en collaboration avec des scientifiques de SOLEIL et de l’Université Claude Bernard en France, ainsi que du Max Planck Institute et de l’EMBL en Allemagne, ont découvert que ces bactéries construisent des structures membranaires complexes en réseau, qui leur permettent d’augmenter la surface d’échange avec la cellule-hôte pour récupérer un élément nutritif essentiel : le sucre.
C’est la première fois que des structures de cette envergure sont découvertes chez une bactérie. À SOLEIL, la ligne HERMES a contribué à cette découverte.
Le charançon des céréales est l’un des principaux ravageurs des céréales (blé, riz, maïs) en champ et en silo. Il se nourrit directement des céréales mais n’est pas tout seul : il possède des bactéries qui vivent en symbiose dans ses cellules. Nommées Sodalis pierantonius, ces bactéries vivent en nombre à l’intérieur de cellules spécialisées de l’insecte. Elles lui fournissent des nutriments essentiels que le charançon ne trouve pas dans les céréales. Il s’agit d’un échange de bons procédés : les bactéries utilisent le sucre produit lors de la digestion des céréales et fournissent en échange des nutriments essentiels à cet insecte ravageur, comme des vitamines ou certains acides aminés.
Si l’importance de ces échanges est bien connue des scientifiques, la façon dont ils se produisent restait inconnu. Pour étudier ces échanges, les scientifiques ont réalisé des observations au microscope électronique en utilisant une méthode de préparation des échantillons qui préserve mieux les membranes. L’équipe de recherche a ainsi observé, pour la première fois, des motifs tubulaires originaux, formant des structures membranaires complexes construites par les bactéries. Pour étudier l’architecture de ces structures et leur composition, les scientifiques ont mis au point des méthodes d’observation et d’analyse utilisant la microscopie 3D et l’accélérateur de particules du Synchrotron SOLEIL.
Les bactéries construisent un véritable réseau d’échange baptisé « Tubenet »
Les analyses révèlent que les structures forment un réseau complexe de tubes, de 0,02 micromètre de diamètre et de plusieurs microns de long, qui relie les bactéries entre elles avec de nombreuses interconnections.
À SOLEIL, la microscopie X à balayage (STXM) a été utilisée sur la ligne HERMES pour identifier in situ la nature du contenu en carbone dans ces tubes et dans des vésicules hôtes à proximité des tubes, et pour déterminer si les tubes servent d'interfaces nutritionnelles entre les cellules de l’insecte et les bactéries symbiotiques.
Sur des sections fines (70 nm) du bactériome, le tissu hôte hébergeant les bactéries, des séries d'images ont été collectées, sur des zones inférieures à 10 μm2 avec des pas de 50 nm et à chaque incrément en énergie dans la gamme d'énergie des rayons X correspondant au seuil K du carbone. La signature du carbone (spectre XANES) a ensuite été étudiée dans 85 régions d'intérêt sélectionnées, correspondant aux tubes, aux bactéries, ainsi qu’aux cytosols, aux mitochondries et aux vésicules de l’insecte hôte (figure 1).
Figure 1 : A à D : Images STXM acquises à 287,7 keV et images correspondantes obtenues par microscopie électronique à transmission au niveau des zones encadrées par les carrés rouges. Les surfaces vertes correspondent aux régions où les spectres XANES au seuil du carbone ont été extraits. E à H illustrent le processus de traitement des spectres XANES, permettant de mettre en évidence leurs différences. Barres d’échelles : 2 µm. Mi : mitochondries ; * : bactéries ; flèches : tubes.
Le traitement des spectres à l'aide d'une approche par regroupement (figure 2), ou d'une approche plus traditionnelle consistant à modéliser les spectres expérimentaux à l'aide de spectres de référence, a mis en évidence une abondance plus importante de glucides dans les tubes et les vésicules hôtes que dans les mitochondries de l’insecte et les bactéries. La similitude du contenu et l'enrichissement en glucides dans les tubes et les vésicules hôtes indiquent une voie de transfert des glucides à travers ces structures membranaires de transport, tant du côté de l'hôte que du côté bactérien.
Figure 2 : A: Analyse par regroupement des spectres XANES mettant en évidence les similitudes de composition en carbone (mises en évidence par la couleur rouge) entre les tubes et les vésicules hôtes (riches en glucides) et entre les mitochondries et les bactéries (riches en acides aminés - AA - et protéines). B: En haut à gauche : image STXM acquise sur une section de bactériome et, au-dessous, image de cette même zone obtenue par microscopie électronique. Dans ces deux images les carrés rouges correspondent à l’image de microscopie électronique à plus haute résolution spatiale, en bas à gauche dans laquelle les bactéries (*) et les tubes (flèches) sont visibles. À droite : les 3 images montrent les corrélations spatiales entre les spectres de chaque pixel et les spectres de référence pour le glucose, les lipides et la glutamine (utilisé comme exemple d'acide aminé). La couleur rouge indique une corrélation positive et reflète donc la distribution de ce composé. Barres d'échelle, 1 μm (en haut et au milieu) et 200 nm (en bas).
Il apparait donc que, comme la structure des microvillosités1 de l’intestin chez les humains permet d’augmenter la surface d’échange pour mieux absorber les nutriments au cours de la digestion, ces structures tubulaires permettent aux bactéries d’augmenter leur surface d’échange avec la cellule-hôte pour mieux assimiler le sucre. En échange, les bactéries produisent des nutriments essentiels pour leur hôte. L’équipe de recherche a baptisé ces structures « Tubenets », contraction de tube et network (réseau en anglais), en référence à leur forme.
Si les structures permettant d’augmenter les surfaces d’échange pour mieux absorber les nutriments sont connues des scientifiques chez les organismes pluricellulaires (intestin, racines des plantes), c’est la première fois que ce type de structure est mis en évidence chez les bactéries. Il est possible que des structures similaires existent chez d’autres types de bactéries.
Ces résultats, publiés dans Cell, ouvrent de nouvelles approches de recherche pour mieux comprendre les micro-organismes, notamment ceux vivant à l’intérieur des cellules, et au-delà, de nouvelles pistes de recherche dans la lutte contre les insectes ravageurs.
1 – Microvillosité : repli minuscule, en forme de doigt, hérissant les cellules de certains tissus comme ceux de la vésicule biliaire ou de l'intestin grêle. Elles permettent l’absorption de substances externes comme les nutriments.