Will Ferguson
Exploiter la puissance de l’intelligence artificielle pour étudier les microbiomes végétaux — ces communautés de microbes vivant dans et autour des plantes — pourrait aider à améliorer la santé des sols, augmenter les rendements des cultures et restaurer les terres dégradées. Mais il y a un hic : l’IA a besoin d’énormes quantités de données fiables pour apprendre, et ce type d’informations cohérentes sur les interactions plantes-microbes a été difficile à obtenir.
Dans un nouvel article dans PLOS Biology, des chercheurs de la zone Biosciences du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont dirigé un consortium international de scientifiques pour étudier si de petites chambres de croissance en plastique appelées EcoFAB pourraient aider à résoudre ce problème. S’appuyant sur leurs travaux antérieurs avec des plantes sans microbes, les scientifiques ont utilisé les appareils développés par Berkeley Lab pour mener des expériences identiques plantes-microbes dans des laboratoires sur trois continents et ont obtenu des résultats concordants. Cette percée montre que les EcoFAB peuvent lever l’un des plus grands obstacles de la recherche sur les microbiomes : la difficulté à reproduire des expériences en différents lieux.
« Si vous voulez faire des prédictions significatives sur les microbes et les plantes, en particulier avec les futurs modèles d’IA, vous avez besoin de jeux de données propres et cohérents. Les EcoFAB fournissent exactement cela. » – Vlastimil Novak
« Nous connaissons tous l’adage “données erronées en entrée, données erronées en sortie” », a déclaré Vlastimil Novak, premier auteur de l’article et scientifique chercheur à la Division de Génomique Environnementale et Biologie des Systèmes (EGSB) de Berkeley Lab. « Si vous voulez faire des prédictions significatives sur les microbes et les plantes, en particulier avec les futurs modèles d’IA, vous avez besoin de jeux de données propres et cohérents. Les EcoFAB fournissent exactement cela. »
Le co-auteur de l’étude, John Vogel, qui dirige le Groupe de Génomique Fonctionnelle des Plantes au Joint Genome Institute (JGI), a ajouté que ce travail s’appuie sur des années d’investissement dans les graminées modèles. Le JGI est une installation nationale pour utilisateurs du Bureau des Sciences du DOE située à Berkeley Lab. « Ce projet exploite les ressources développées par le JGI pour Brachypodium afin de créer un système où nous pouvons contrôler le microbiome, l’environnement, et même la génétique de la plante », a expliqué Vogel. « Cela en fait une plateforme puissante pour une science intégrative reproductible. »
Un test mondial
Le scientifique chercheur de l’EGSB, Peter Andeer, a développé les dispositifs EcoFAB, de simples boîtes transparentes de la taille d’un contenant à emporter, pour permettre aux scientifiques de cultiver des plantes de manière contrôlée. Pour ce projet, Novak et ses collègues ont fourni des kits EcoFAB et des protocoles détaillés à des laboratoires dirigés par Jeff Dangl à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, Paul Schulze-Lefert à l’Institut Max Planck pour la recherche en sélection végétale en Allemagne, Borjana Arsova au Centre de recherche de Jülich en Allemagne, et Michelle Watt à l’Université de Melbourne en Australie. Chaque kit comprenait les mêmes graines, le même ensemble de 16 ou 17 microbes, et des instructions étape par étape.
« Déployer des microbes bénéfiques dans l’agriculture n’est pas aussi simple que de les ajouter au sol », a souligné Dangl. « Ils doivent survivre, s’établir à l’intérieur de la plante et fonctionner aux côtés des communautés microbiennes existantes. L’essai en anneau EcoFAB nous aide à comprendre comment concevoir des microbes qui prospèrent dans des environnements divers. »
La nécessité de ce type d’études a été mise en lumière lors de plusieurs ateliers organisés par Trent Northen, un scientifique senior de la division EGSB, pour répondre à une question fondamentale : comment pouvons-nous réaliser des expériences sur les microbiomes de manière standardisée et reproductible ? En réalité, c’était un défi logistique. Expédier des microbes vivants à l’étranger nécessitait des piles de paperasse, des règles de sécurité strictes et des quantités presque comiques de glace carbonique. « Juste deux petits tubes de microbes ont dû être emballés avec 50 livres de glace carbonique, et même ainsi, un envoi a fondu en douane », a révélé Novak.
Malgré les maux de tête, chaque laboratoire a réussi à cultiver des plantes dans les EcoFAB, à les inoculer avec des microbes et à renvoyer des échantillons pour des tests à Berkeley Lab.
Pour l’étude, les chercheurs ont comparé les effets de deux communautés microbiennes : une avec 16 espèces de bactéries, et une autre avec 17. La seule différence était la présence d’un colonisateur racinaire particulièrement agressif, Paraburkholderia sp. OAS925.
Dans chaque laboratoire, ce microbe a systématiquement pris le contrôle de l’environnement racinaire de la plante lorsqu’il était inclus. Les plantes avec ce microbe ont légèrement moins poussé que celles sans lui, un résultat clair et reproductible sur trois continents.
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Les scientifiques ont également étudié les exsudats racinaires, de petites molécules libérées par les racines des plantes, dont se nourrissent les microbes et qui servent de “langage chimique” entre les racines et les microbes. À l’aide d’instruments spécialisés, l’équipe a mesuré des dizaines de ces produits chimiques et a constaté que la plupart des schémas étaient identiques d’un laboratoire à l’autre, prouvant que les expériences étaient reproductibles. Quelques composés instables, comme la dopamine, variaient davantage, et certaines chambres de croissance étaient plus chaudes ou plus froides que prévu, entraînant des différences mineures dans la taille des plantes. Mais la tendance générale était claire : les EcoFAB ont produit des résultats cohérents à l’échelle mondiale.
« La conception unique de l’EcoFAB nous permet de surveiller plusieurs partenaires d’interaction avec différents niveaux de complexité, de manière reproductible dans les laboratoires du monde entier », a expliqué la co-auteure Borjana Arsova du Centre de recherche de Jülich. « Parce que nous pouvons contrôler avec précision les conditions de croissance et suivre le développement dans le temps, nous pouvons commencer à démêler ces relations multidirectionnelles et finalement appliquer ces connaissances pour améliorer l’agriculture. »
L’EcoFAB 2.0 peut accueillir des plantes modèles de petite taille telles que Brachypodium distachyon et est compatible avec les systèmes automatisés que l’on trouve dans la plupart des laboratoires. (Crédit : Thor Swift/Berkeley Lab)
Briser la barrière de la reproductibilité
Les microbiomes végétaux jouent un rôle important dans l’agriculture et l’environnement. Les bons microbes peuvent aider les plantes à lutter contre les maladies, à pousser dans un sol pauvre et à contribuer à la formation de matières organiques du sol. Mais sans un système commun pour les étudier, les résultats de différents laboratoires ont souvent été difficiles à comparer.
Les EcoFAB changent cela en agissant comme un “système modèle” pour les microbiomes végétaux de la même manière que la drosophile a transformé la génétique ou la plante Arabidopsis a révolutionné la biologie végétale. Lorsque les scientifiques du monde entier utilisent le même outil, les découvertes peuvent s’accumuler plus rapidement.
Watt, qui a dirigé les expériences EcoFAB en Australie, a déclaré que cette percée était attendue depuis longtemps. « La traduction des bénéfices plantes-microbiome au champ a été lente parce que les résultats varient tellement d’un laboratoire à l’autre », a-t-elle affirmé. « Cette étude mondiale montre que les EcoFAB brisent cette barrière de la reproductibilité. »
Alimenter l’IA
La capacité à générer de grands jeux de données fiables est particulièrement précieuse pour l’intelligence artificielle. L’entraînement de l’IA nécessite des informations cohérentes. Avec les EcoFAB, les scientifiques peuvent fournir à l’IA des données propres sur la façon dont les microbes affectent les plantes et commencer à construire des modèles qui prédisent ce qui pourrait se passer dans le monde réel.
« Cette étude fournit également certaines des premières données sur la variation expérimentale entre les laboratoires pour ce type d’études plantes-microbiome, ce qui sera important à prendre en compte dans les modèles d’IA intégrant des données de plusieurs laboratoires », a ajouté Northen.
Des outils pour la communauté
Les dispositifs EcoFAB 2.0 peuvent être accessibles gratuitement par les scientifiques via le Programme Science Communautaire du JGI et le programme Facilities Integrating Collaborations for User Science (FICUS), qui sont des initiatives basées sur des propositions où les projets sont sélectionnés selon leur mérite scientifique et leur pertinence pour le DOE. Le mélange de 17 microbes peut être commandé auprès du DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, et des instructions détaillées — avec des vidéos commentées — sont disponibles en ligne . Les données de la nouvelle étude sont également librement accessibles via la National Microbiome Data Collaborative , offrant aux futurs chercheurs un point de référence pour comparer leurs propres expériences. Le projet reflète les valeurs fondamentales de Berkeley Lab que sont la collaboration et l’innovation, unissant des équipes expertes pour résoudre des défis.
Perspectives
Ensuite, l’équipe espère coupler les EcoFAB avec la robotique et des capteurs avancés pour créer un laboratoire autonome pour ce type d’expériences. Le système actuel, l’“EcoBOT”, pourrait un jour exécuter des expériences automatiquement, produisant des flux de données de haute qualité.
L’objectif ultime est de concevoir des communautés microbiennes utiles qui favorisent la croissance des cultures bioénergétiques et la santé des sols.
« Une science rigoureuse signifie obtenir des résultats cohérents en posant la même question », a déclaré Paul Schulze-Lefert de l’Institut Max Planck. « En collectant des données de laboratoires sur trois continents, ce travail montre que la reproductibilité est possible dans la recherche sur les microbiomes végétaux une étape essentielle vers le développement de probiotiques microbiens pour une agriculture réelle. »
