Comment les changements nutritionnels affectent-ils l’interaction entre les arbres et les micro-organismes du sol ? Cela est longtemps resté une boîte noire mais une nouvelle étude a mis en lumière cette association cryptique. Il montre qu’une nutrition accrue du sol modifie la communication entre les arbres et leurs champignons associés, restructurant la communauté fongique associée aux racines avec des implications majeures pour le cycle du carbone dans la forêt.
L’étude a été publiée aujourd’hui dans Actes de l’Académie nationale des sciences. Des chercheurs du Umeå Plant Science Center, une collaboration entre l’Université suédoise des sciences agricoles et l’Université d’Umeå, dirigeaient l’étude et étaient soutenus par des chercheurs du Science for Life Laboratory de l’Université de Stockholm et de l’Université d’Uppsala.
Les progrès des techniques de séquençage ont permis de saisir la dynamique de l’interaction entre les racines des arbres et leurs partenaires fongiques. Les chercheurs de l’Université suédoise des sciences agricoles, de l’Université d’Umeå et du laboratoire Science for Life ont comparé une forêt fertilisée en continu pendant 25 ans avec une forêt non fertilisée. Ils ont analysé l’activité des gènes dans les racines des arbres et dans plus de 350 espèces de champignons au cours d’une saison de croissance et ont révélé que les arbres fertilisés changeaient leur stratégie de communication et devenaient plus hostiles à leurs partenaires fongiques. En conséquence, la communauté fongique est passée d’être dominée par des espèces spécialisées à des espèces plus polyvalentes.
« Dans les forêts boréales pauvres en nutriments, les arbres dépendent des champignons myccorhyziens associés aux racines pour leur approvisionnement en nutriments et maintiennent ce partenariat grâce à l’échange de sucres précieux », explique Simon Law, premier auteur de l’étude et ancien postdoctorant du groupe de Vaughan Hurry à Centre des sciences végétales d’Umeå. « La fertilisation des sols perturbe cette relation commerciale sensible, obligeant les arbres à détourner ces sucres vers leur propre croissance et défense, avec de profondes implications pour la communauté fongique. »
Les champignons tolérants au stress sont favorisés dans les sols fertilisés
Les chercheurs ont montré que les arbres fertilisés réduisaient l’activité des gènes qui codent les informations pour les protéines exportatrices de sucre, tout en renforçant les processus de défense. Les espèces fongiques myccorhyziennes spécialisées qui dépendent fortement des sucres carbonés des arbres ont été les plus durement touchées. En accélérant leurs défenses, les plantes ont rendu encore plus difficile la colonisation racinaire par ces champignons spécialistes et ils sont devenus moins abondants.
En revanche, des espèces fongiques métaboliquement polyvalentes et moins dépendantes des arbres ont prospéré dans les forêts fertilisées. Ces champignons myccorhyziens se caractérisent par des parois cellulaires résistantes de couleur foncée qui rendent les champignons plus résistants au stress mais ralentissent également la décomposition des parois cellulaires. Ce changement dans la communauté fongique influence également le cycle du carbone dans le sol car les champignons spécialisés jouent un rôle important dans la décomposition de la litière végétale. Il a été démontré dans d’autres études que la fertilisation des forêts de conifères du Nord augmente le stockage du carbone à la fois dans les tissus végétaux au-dessus du sol et dans le sol. Cette nouvelle étude donne un aperçu des mécanismes sous-jacents des processus de stockage du sol.
« Il est bien connu que la fertilisation entraîne une augmentation du stockage du carbone dans les tissus aériens des arbres au détriment du réseau racinaire et fongique souterrain », explique Vaughan Hurry, professeur à l’Université suédoise des sciences agricoles. « Mais ce que cette étude montre, c’est la complexité de la communication entre l’arbre et la communauté fongique associée, et elle met en évidence l’importance de la voix de l’arbre dans cette interaction. »
Les changements nutritionnels affectent le cycle du carbone dans les forêts boréales
La forêt boréale dominée par les conifères entoure l’hémisphère Nord et contient le plus grand réservoir de carbone terrestre sur Terre, jouant potentiellement un rôle vital dans l’atténuation du changement climatique. Le réchauffement des températures augmentera la décomposition des matières mortes dans le sol et augmentera ainsi le cycle des nutriments. Cela affectera le statut nutritif des arbres et de leurs partenaires fongiques associés.
Les chercheurs montrent que la relation complexe entre les arbres et leurs micro-organismes associés doit être mieux comprise pour améliorer les modèles prédictifs de la façon dont les conditions environnementales changeantes affectent le cycle du carbone et des nutriments dans les forêts boréales.
Point de départ de nombreuses autres études
« La relation entre les différents organismes dans le sol est extrêmement complexe et a été largement inaccessible. L’approche de séquençage que nous avons utilisée nous permet de sonder ces interactions complexes au niveau moléculaire, nous indiquant qui est là et ce qu’ils font », déclare Nathaniel Street, deuxième auteur correspondant de l’étude et professeur associé à l’Université d’Umeå. « L’approche que nous avons utilisée dans cette étude offre de nombreuses nouvelles possibilités et nous pensons qu’à long terme, cela nous permettra de mieux comprendre les mécanismes fonctionnels à l’origine de la dynamique des écosystèmes. »
La quantité massive de données que les chercheurs ont recueillies dans le cadre de leur étude sur les racines des plantes et les micro-organismes du sol est rendue publique via un outil en ligne, l’Atlas rhizosphérique boréal, hébergé par le laboratoire Science for Life. Les chercheurs peuvent accéder librement à cet outil et explorer davantage les données. Le plan futur est d’inclure des données d’études supplémentaires dans l’outil pour éclairer davantage la relation complexe entre les plantes et les micro-organismes du sol.
Simon R. Law et al, Metatranscriptomics capture les changements dynamiques dans la coordination mycorhizienne dans les forêts boréales, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2118852119