Identification morphologique et moléculaire d`espèces du genre
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Identification morphologique et moléculaire d`espèces du genre
Identification morphologique et moléculaire d’espèces du genre Trichoderma isolées de différents sols Tunisiens. N. Sadfi-Zouaoui1*, M. Rouaissi2, B. Essghaier 1, M.R. Hajlaoui2, M.R. Hermosa3 et A. Boudabous1 1 . Laboratoire de Microorganismes et Biomolécules Actives, Faculté des Sciences de Tunis, Campus universitaire, 2092 Tunisie ; . Laboratoire de Protection des Végétaux, Institut National de la Recherche Agronomique de Tunisie (INRAT) 2049 Ariana Tunisie ; 3 . Département de Microbiologie et de Génétique, Université de Salamanque, 37002 Espagne. 2 RÉSUMÉ Le genre Trichoderma renferme des espèces connues en tant qu’agents de lutte biologique contre les champignons phytopathogènes et comme source d’enzymes et de métabolites d'intérêts industriels. Dans le but d’exploiter le potentiel biologique des Trichoderma indigènes, une étude a été entreprise pour établir une large collection d’espèces résidentes dans les sols du nord Tunisien. En se basant sur l’aspect des colonies et la morphologie des fructifications, une collection de 150 isolats a été subdivisée en 5 groupes phénotypiques. Cette identification morphologique a été confirmée par des analyses moléculaires basées sur le séquençage de la région ITS1 de l’ADN ribosomal. Le pouvoir antagoniste de ces espèces est en cours d’évaluation contre les moisissures de post- récolte des fruits et des légumes. Mots-clés : Trichoderma - sol – phénotype – analyse moléculaire ABSTRACT Trichoderma is the most fungal strain used as biological control agent in agriculture, besides its production of enzymes and secondary metabolites of biotechnological interest. With an aim of exploiting the biological potential of local Trichoderma strains, a study was undertaken to establish a broad collection of species resident in north Tunisian soils. Based on the aspect of colonies and morphology of fructifications, a collection of 150 isolates was subdivided into 5 phenotypic groups. This morphological characterization was confirmed by a molecular analysis based on the sequencing of the ITS1 region of the ribosomal DNA. The antagonistic potential of these species is in the course of evaluation against the post-harvest moulds of fruits and vegetables. Key-Words: Trichoderma - soil – phenotype – molecular analysis Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Introduction Les Trichoderma spp. sont des champignons cosmopolites, caractérisés par leur croissance rapide, leur capacité d’utiliser divers substrats et leur résistance à des agents chimiques nocifs (Klein et Eveleigh, 1998). Ils constituent les éléments prédominants de la mycoflore des sols de divers écosystèmes (forêts, champs agricoles, prairies, marécages, déserts, lacs salés ……) (Danielson et Davey, 1973 ; Roiger et al., 1991 ; Smith, 1995 ; cellulose des végétaux (Klein et Eveleigh, 1998). Le genre Trichoderma renferme des espèces les plus utilisées en tant qu’agents de lutte biologique contre les phytopathogènes et comme source d’enzymes et de métabolites secondaires d'intérêts biotechnologique (Kubicek et Penttilä, 1998 ; Sivasithamparam et Ghisalberti, 1998). La majorité des espèces de Trichoderma sont morphologiquement très semblables et difficiles à distinguer et elles ont été confondues pendant de nombreuses années à l’espèce T. viride. Les méthodes moléculaires, basées sur le polymorphismes des séquences de l’ADN et les amplifications par PCR, se sont montrées très utiles dans la caractérisation des isolats de ce genre, tant dans des études d'identification (Hjeljord et Tronsmo, 1998) que dans l'élaboration de classifications phylogénétiques (Kullnig-Gradinger et al., 2002). ------------------------------------------------------------------------------------* Correspondance : Dr. Najla SADFI ZOUAOUI, Laboratoire de Microorganismes et Biomolécules Actives, Faculté des Sciences, Campus universitaire, 2092 Tunis ; Tunisie, Tel : 216 -70-850 553 ; Fax: 216-71-885 480, E-mail: [email protected] 9 Les ADNr sont organisés en domaines d'unités invariables répétées en tandem. Une unité est constituée des trois plus grands gènes d'ARNr (18S, 5.8S, 28S) séparés par deux espaceurs internes transcrits (ITS). Chaque unité est séparée d'une autre unité par un espaceur intergénique non transcrit (IGS) (Bruns et al., 1991 ; Henson et French, 1993) (Fig. 1). On retrouve de 60 à 200 copies des répétitions en tandem par génome haploïde chez les champignons (Bruns et al., 1991, Yao et al., 1992). De grandes variations génétiques sont trouvées dans les ITS car leur évolution est plus rapide que les portions géniques. Les ITS permettent de différencier les espèces à l'intérieur d'un genre ou parmi une population (Henson et French, 1993; White et al., 1990). L'analyse des ITS de plusieurs espèces de champignons a permis de conclure à la validité ou non de l'emploi des critères morphologiques utilisés dans l’identification des espèces et la classification des champignons. Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Fig. 1. Schéma de l’unité de transcription ribosomique de champignon. A. Organisation en tandem des unités ribosomiques, B. Structure d’une unité ribosomique. L'analyse des séquences de l’ADNr, y compris les séquences des espaceurs internes transcrits (ITS), ont été utiles dans des études taxonomiques de T. longibrachiatum (Kuhls et al., 1997), T. harzianum (Gams et Meyer, 1998), et de T. viride (Lieckfeldt et al., 1999) ou de biotopes associés à la colonisation de champignons cultivés (Belle et al., 1999 ; Samuels et al., 2002). La plupart des espèces connues de Trichoderma ont été isolées d’Amérique du Nord, d’Europe Centrale (Bissett, 1991 ; Wuczkowski et al., 2003), de Sibérie et des Himalayas (Kulling et al., 2000), d’Asie du Sud-Est (Kubicek et al., 2003), de Chine, d’Egypte (Gherbaway et al., 2004), et d’Amérique Centrale et du Sud (Druzhinina et al., 2005). Aucune étude rapportant la diversité des espèces de Trichoderma en Tunisie n’a été jusque là effectuée. Dans le but d’identifier les espèces de Trichoderma rencontrées en Tunisie, une collection de 150 isolats a été obtenue à partir de différents sols du Nord tunisien et classée en espèces en se basant sur des critères morphologiques et l’analyse des séquences ITS. MATERIELS ET METHODES 10 Echantillonnage et isolement Une centaine d’échantillons ont été collectés de différents écosystèmes de la Tunisie (sols forestiers, sols agricoles, fruits d’arbres fruitiers et feuilles de légumineuses). Chaque échantillon de sol (10g) a été vigoureusement brassé avec 20 ml d’eau distillée stérile afin de libérer les conidies et les hyphes adhérant aux particules de sol. Une série de dilution de 10-1 à 10-4 a été préparée pour chaque suspension de sol. Une aliquote de 0.1 ml de chaque dilution a été étalée sur les milieux PDA (Potato dextrose agar, Difco) et MEA (Malt extract agar, Difco) additionnés de 50 mg/l d’antibiotique (ampicilline et streptomycine, Sigma). Les boites ont été incubées à 25°C pendant 7 à 10 jours. Les colonies de Trichoderma ont été purifiées suite à des repiquages successifs sur milieu PDA. Culture monosporale de Trichoderma Une suspension sporale de chaque culture pure de Trichoderma a été préparée après raclage des spores en présence d’eau distillée stérile. Après une série de dilutions et étalements sur milieu PDA puis incubation pendant 48h à 25°C, les conidies germées et visualisées au microscope ont été repiquées individuellement, à l’aide d’une aiguille sur milieu PDA et incubées pendant une semaine à 25°C. Un disque mycélien de 10 mm de diamètre de chaque culture, dérivant d’un clone monospore, a été ensemencé, sous hôte stérile, dans 100 ml de milieu PDB (Potato-Dextrose-Broth, Difco) contenu dans un Erlenmeyer de 250 ml. La culture liquide a été ensuite incubée sous agitation à 110 rpm et 25°C pendant 7 à 10 j et le mycélium a été récupéré par filtration et conservé à -20°C avant sa lyophilisation. Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Extraction de l’ADN génomique L’ADN total a été extrait selon la méthode CTAB développée par Doyle et Doyle (1987). avec quelques modifications. Une quantité d’environ 0, 1 g de mycélium lyophilisé a été broyé en présence de l’azote liquide. Le broyat a été mis dans un Eppendorf de 1,5 ml, auquel 700 µl de tampon de lyse (CTAB, 2%) additionné de 0.2% (w/v) mercaptoéthanol ont été ajoutés. Le mélange a été mis en incubation pendant 40 min à 65°C au bainmarie. Un volume égal de chloroforme alcoolisoamylique (24 :1) a été ajouté. Après homogénéisation du mélange et centrifugation (10 min, 13000 rpm à + 4°C), le surnageant a été récupérée (environ 500 µl) dans un nouveau Eppendorf stérile. L’ADN a été précipité sélectivement en présence d’un volume égal d’isopropanol à froid additionné de 10 % d’acétate de sodium (3M, pH 8). Après incubation pendant 1 nuit à + 4°C et centrifugation (12000 rpm, 10 min à + 4°C), le surnagent a été jeté et le culot d’ADN a été rincé deux fois avec 500 µl d’éthanol 70%. Après centrifugation (12000 rpm, 2 min à + 4°C), le culot a été dissout dans 100 µl de tampon TE. L’ADN dissout a été traité avec 3µl de RNase (100 µg/ml) pendant 1h à 37°C. L’ADN a été ensuite précipité dans 600 µl d’éthanol absolu (conservé à – 20°C) en présence de 30 µl d’acétate de sodium (3M, pH 8). Le culot a été ensuite rincé avec 300 µl d’éthanol 70 % puis séché sous la hotte pendant 2 h. L’ADN a été ensuite repris dans 100 µl de TE puis conservé à 20°C. Amplification de l’ADN par PCR et séquençage La région ITS (Internal Transcribed Spacer) de l’ADN ribosomique a été amplifiée avec des amorces universelles ITS1 et ITS4 (White et al., 1990). ITS1: 5’-TCGGTAGGTGAACCTGCG G-3’ ITS4: 5’-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3’ Protocole d’amplification La réaction d’amplification a été réalisée dans un volume réactionnel de 25 µl contenant 5 µl de tampon coloré Taq DNA polymerase 10X (Promega), 1.5 µl MgCl2 (25 mM), 1 µl dNTP(20 mM), 2 µl de chacune des amorces (20 pmoles/µl), 0.25 µl de Taq DNA polymerase (5U/µl) (Promega) et 11.25 µl de H2O bidistillée stérile. Le mélange ou mix a été réalisé pour le nombre total des isolats, puis réparti à raison de 23 µl/tube. Deux µl d’ADN (50 ng/µl) ont été ajoutés en dernier au mélange réactionnel. La réaction d’amplification a été réalisée dans un thermocycleur (Biometra, Allemagne). Le programme, de la PCR, établi a été composé d’une pré-dénaturation à 95°C pendant 3 min suivie par 35 cycles consécutifs d’une dénaturation à 98°C pendant 15 sec, d’une hybridation spécifique des amorces à 59°C pendant 60 sec et d’une élongation à 72°C pendant 2 min. Enfin une post-élongation à 72°C pendant 10 min. Electrophorèse sur gel d’agarose Un gel d’agarose à 1,5 % a été préparé avec un tampon standard TBE 0,5× (4,5 mM Tris, 4,5 mM d’acide borique et 1mM EDTA, pH 8) contenant 0,5 mg/ml de bromure d’éthidium. Cinq µl de l’échantillon PCR a été mélangé avec 1 µl de tampon de charge sur une feuille de parafilm. Les échantillons et un marqueur de poids moléculaire (100 pb) ont été chargés séparément dans les puits du gel (moyen gel, cuve Eurogentec, Belgique). L’électrophorèse a été effectuée à 100 V dans du tampon TBE 0,5× pendant 40 min. Les produits d’amplification ont été visualisés sous lumière UV, grâce au bromure d’éthidium incorporé au part avant dans le gel. Les photos ont été prises grâce à un Gel doc de type Biorad. Séquençage des ITS amplifiés Les produits PCR (ITS amplifiés) ont été purifiés TM par centrifugation sur minicolonne (Wizard PCR Preps DNA Purification System, Promega) selon le protocole de la compagnie. Le séquençage a été réalisé dans les deux directions avec les amorces utilisées pour leur amplification dans un ABI 377 Prism sequencer automate (Applied Biosystems). Analyse des séquences Les séquences ont été initialement analysées en utilisant le programme MegAlign inclus dans le paquet informatique DNASTAR ; et, les alignements des séquences ont été effectués en utilisant le programme CLUSTALX 1.81 (Thompson et al., 1997). Dans les alignements ont été incluses les séquences, déposées dans des bases de données, espèces ou génotypes représentants des différentes sections du genre Trichoderma. Les analyses phylogénétiques ont été effectuées avec le programme PAUP (Phylogenetic Analysis Using Parsimony, Version 4.0, UTILISE). 11 Résultats & Discussion Tr. 1 Tr. 4 9,00 Tr. 2 Tr. 5 Tr. 3 Une collection de 150 isolats de Trichoderma a été établie essentiellement à partir d’échantillons de sol collectés de différents écosystèmes de la Tunisie. Une identification préliminaire du genre a été effectuée par l’analyse des caractères morphologiques basés sur la vitesse de croissance de la colonie (Fig. 2), la pigmentation et l’aspect du conidiophore, des phialides et des conidies (Fig. 3, 4). Cette analyse a permis de subdiviser la collection en 5 groupes phénotypiques. Diamètre de la colonie (mm ) 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 18h 24h 38h 44h 48h Temps Fig.2. Mesure de la croissance des colonies fongiques de Trichoderma durant 48 h de culture sur milieu PDA Fig. 3 Aspect macroscopique des colonies des isolats représentant les cinq groupes phénotypiques de Trichoderma. (a): T. citrinoviride, (b): T. atroviride, (c): T. hamatum, (d): T. harzianum, (e): T. longibrachiatum Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Fig. 4 Aspect microscopique du mycélium (a), des spores (b) et des phialides (c) de Trichoderma spp. Ces caractéristiques morphologiques n’étaient pas suffisantes pour distinguer les espèces de Trichoderma en raison des ressemblances morphologiques des colonies et des fructifications. Les travaux pionniers de Rifai (1969) ont proposé de distribuer Trichoderma dans neuf ensembles spécifiques alors que la révision du genre Trichoderma par Bisset (1991) avait inclus plusieurs anamorphes d’Hypocrea établissant ainsi cinq nouvelles sections, parmi lesquelles correspondaient les ensembles déjà décris par Rifai. Les données moléculaires dérivant de l’ADN et des enzymes étaient très utiles pour une caractérisation objective de Trichoderma comparativement aux méthodes classiques (Lieckfeldt et Muthumeenakshi, 1998). L’étude moléculaire que nous avions menée a concerné 48 souches de la collection. L’amplification par PCR a montré une 12 seule bande d’environ 600 pb pour tous les isolats de Trichoderma (Fig. 5). Les Trichoderma isolés ont été identifiés au niveau de l’espèce grâce à l’analyse des séquences ITS (ITS1). L’identité des isolats est présentée au Tableau 1. Sept isolats de sol forestier ont été identifiés comme appartenant à l’espèce T. harzianum. Nos résultats sont en concordance avec les travaux de Wuczkowski et al. (2003) montrant la prédominance de T. harzianum en sol forestier. Cette espèce est largement exploitée dans la lutte biologique contre les champignons phytopathogènes à côté de Gliocladium virens et T. viride (Papavizas, 1985 ; Samuels, 1996). T. harzianum a été commercialisé sous forme de biofongicide (Trichodex®) (Elad et al. 1995) et a montré un grand pouvoir inhibiteur contre la pourriture grise de la tomate (Utkhede et Mathur, 2002). Tableau 1. Origine et identité des isolats de Trichoderma. Origine Isolat Espèce Rhizosphère de sol forestier TNS 1, 2, 3, 4, 16, 17, 18 T. harzianum TNS 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 T. longibrachiatum TNS 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 TNS 28, 29 TNS 30, 31, 32, 33, 34 T. atroviride T. hamatum Trichoderma spp. TNS 35, 36 TNS 37, 38, 39, 40, 44, 41, 42, 43 T. hamatum T. longibrachiatum TNS 45, 47 TNS 46 TNS 48 T. citrinoviride T. hamatum T. viride Rhizosphère de sol agricole Arbres fruitiers Fruits de citronnier Fruits de pêcher Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Légumineuses Feuilles de fève Fig. 5. Séparation sur gel d’agarose (1.5%) des produits d’amplification par PCR de l’ADN des isolats de Trichoderma en utilisant les amorces ITS1 et ITS4. M: marqueur de poids moléculaire 100 pb, pistes 1-26 (isolats TNS1-TNS26); T: témoin négatif, pistes 27-48 (isolats TNS27-TNS48). TNS 1-18 (isolats de sol forestier); TNS 19-34 (isolats de sol agricole); TNS 35-44 (isolés sur fruits de citronnier et de pêcher) et TNS 45-48 (isolés sur feuilles de fève) L’espèce la plus dominante de la collection appartient à T. longibrachiatum (37,5 %), isolée de sol forestier et de fruits. Les souches issues de sol agricole (vergers d’Agrumes) appartiennent à T. atroviride et à T. hamatum. Trois souches appartenant à T. citrinoviride, deux à T. hamatum et une à T. viride ont été aussi isolées de feuilles et de fruits pourris. L’arbre phylogénétique établi à partir de l’analyse des séquences des 48 souches a montré que l’ensemble des isolats sont distribués dans les trois grandes sections de Trichoderma. Des 48 souches séquencées, 14.58 % (7 isolats) sont classées dans la section Pachybasium, 31.25 % (15 isolats) dans la section Trichoderma et 43.75 % (21 isolats) dans la section Longibrachiatum (Fig. 6). Sept isolats classés dans la section Pachybasium sont groupés dans le complexe incluant T. inhamatum et T. harzianum. Dans la section Trichoderma, 15 isolats sont inclus dans 3 groupes à savoir T. hamatum, T. atroviride et T. viride et 18 isolats de la section Longibrachiatum sont inclus dans les 13 groupes T. longibrachiatum et T. citrinoviride (Hermosa et al., 2004). Cette étude a en effet montré une diversité importante des espèces de Trichoderma en Tunisie. Les représentants des trois sections de Trichoderma on été identifiés à partir de l’analyse de souches issues essentiellement de sols forestiers et agricoles. L’efficacité de ces souches contre des pathogènes de post-récolte est en cours d’évaluation. La collection locale sera élargie afin d’inclure des isolats provenant d’autres niches écologiques de plusieurs régions de la Tunisie. Fig. 6. Phylogramme basé sur les séquences de la région ITS1 du gène ARNr démontrant la position phylogénétique des 48 isolats (TNS 1-46) à l’intérieur des sections établies de Trichoderma (T.) (Hermosa et al., 2004). Remerciements Microbiol. Hyg. Alim.-Vol 20, N° 57 – Mars 2008 Ces travaux ont bénéficié de fonds émanant du Projet de Coopération Tuniso-Espgnole (n° A/6826/06). EladY., Gullino M.L., Shtienberg D., Aloi C., 1995. Managing Botrytis cinerea on tomatoes in greenhouses in the Mediterranean. Crop Protection 14: 105-109. Gams W., Meyer. W., 1998. What exactly is Trichoderma harzianum? Mycologia 90: 940-915. Bisset J., 1991. A revision of the genus Trichoderma. III. Section Pachybasium. Canadian Journal of Botany 69: 2373–2417. Gerbawy Y., Druzhinina I., Shaban G.M., Wucskowsky M., Yaser M., El-Naghy M.A., Prillinger H.J., Kubicek C.P. 2004 Trichoderma populations from alkaline agricultural soil in the Nile Valley, Egypt consist of only two species. Mycological Progress 3: 211-218. 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