Une nouvelle méthode permet des analyses isotopiques sans restriction

La plupart des plantes du monde vivent en symbiose avec des champignons. Il y a souvent un échange de nutriments dont les deux partenaires bénéficient. Dans de nombreux autres cas, cependant, les plantes se nourrissent unilatéralement aux dépens des champignons.

Des groupes de recherche internationaux dirigés par le professeur Dr. Gerhard Gebauer de l’Université de Bayreuth ont maintenant présenté une nouvelle méthode dans la revue Nouveau Phytologue qui permet pour la première fois d’appliquer sans restriction des analyses isotopiques à toutes les formes de symbiose entre plantes et champignons. En principe, il sera possible à l’avenir de déterminer quels et combien de nutriments chaque plante obtient des partenaires fongiques.

Les informations sur le type et la quantité de nutriments que les plantes extraient des champignons entrelacés avec leurs racines sont instructives pour comprendre la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes. Le carbone présente un intérêt particulier dans ce contexte : selon une opinion encore largement répandue, les plantes produisent tout le carbone dont elles ont besoin par leur propre photosynthèse et sont donc qualifiées d’autotrophes.

Cependant, de nombreuses plantes sont hétérotrophes : elles utilisent la symbiose avec des champignons, appelés mycorhizes, pour extraire le carbone de leurs partenaires fongiques : il existe même des plantes qui satisfont ainsi tous leurs besoins en carbone et ont complètement cessé leur propre photosynthèse.

Les analyses isotopiques offrent un aperçu du transfert de nourriture souterrain

Depuis de nombreuses années, la recherche sur le transfert de nourriture des champignons vers les plantes a profité du fait que le carbone produit par les plantes elles-mêmes a un profil isotopique différent du carbone présent dans les partenaires fongiques. Cela signifie que les isotopes du carbone – il s’agit d’atomes de carbone qui diffèrent uniquement par le nombre de neutrons dans leur noyau – se trouvent en abondance différente chez les partenaires fongiques que dans le carbone que les plantes produisent par leur propre photosynthèse.

L’analyse isotopique du carbone stocké dans les plantes permet donc de tirer des conclusions sur la quantité de carbone qui provient des champignons. Cependant, ces calculs ne sont possibles que si deux valeurs de référence sont connues : le profil isotopique du carbone chez les plantes autotrophes et le profil isotopique du carbone chez les partenaires fongiques.

Entre les deux valeurs de référence se situe le profil isotopique du carbone chez les plantes hétérotrophes, qui extraient une partie du carbone nécessaire de leurs partenaires fongiques. De cette façon, la recherche isotopique a déjà mis en lumière une variété de nouvelles connaissances sur les symbioses entre les champignons et les plantes.

Une porte ouverte pour la recherche écosystémique

Jusqu’à présent, cependant, la recherche était soumise à une restriction considérable : les partenaires fongiques devaient former leurs propres fructifications et y stocker leur carbone. Ce n’est qu’à cette condition que le carbone fongique était accessible dans les quantités requises pour les analyses isotopiques. Cependant, on sait depuis longtemps que seuls environ dix pour cent des champignons qui vivent en symbiose avec les plantes forment des fructifications. Par conséquent, l’une des deux valeurs de référence nécessaires pour déterminer de manière fiable le type et l’étendue de l’hétérotrophie des plantes était généralement manquante.

L’équipe de recherche de Bayreuth a maintenant trouvé une solution à ce problème. Les scientifiques ont réussi à extraire le carbone fongique des filaments fongiques – les soi-disant hyphes – qui étaient entrelacés avec les racines des plantes. Ils ont également pu isoler l’azote et l’hydrogène fongiques de cette manière.

Les études, publiées dans Nouveau Phytologue, comprennent une variété d’exemples d’applications de l’analyse isotopique que la nouvelle technique a maintenant rendues possibles. « Les portes sont maintenant grandes ouvertes pour la recherche écosystémique sur les relations symbiotiques entre les plantes et les champignons », déclare le professeur Gerhard Gebauer.

Études de cas sur les plantes forestières et les orchidées

Les études ont porté sur des champignons sans fructifications vivant dans une mycorhize à arbuscules avec de petites plantes sans feuilles incapables de photosynthèse et donc complètement hétérotrophes. Il s’agit d’une forme particulièrement courante de symbiose entre les plantes et les champignons qui remonte loin dans l’histoire de l’évolution.

Des partenaires de recherche au Japon et en Australie ont fourni les plantes forestières aux scientifiques de Bayreuth, qui ont réussi à détacher les filaments cellulaires (hyphes) des champignons du réseau racinaire des plantes forestières et à les préparer pour les analyses isotopiques. Les analyses ont fourni, pour la première fois, des abondances isotopiques de partenaires fongiques de la mycorhize arbusculaire avec des plantes entièrement hétérotrophes.

Un autre objectif de la recherche était les profils isotopiques des orchidées originaires du nord-est de la Bavière, qui forment également une mycorhize avec des champignons qui ne produisent pas de fructifications. Cependant, une orchidée originaire d’Hawaï a également été incluse dans les études à titre de comparaison.

Des pelotons de champignons – ce sont de petits amas d’hyphes en forme de boule – ont été isolés des cellules racinaires des orchidées, ce qui s’est avéré particulièrement difficile. Des analyses isotopiques préliminaires indiquent que les orchidées sélectionnées extraient également une partie importante de leurs besoins en azote et autres nutriments des champignons.