Les microbes améliorent la résilience des tourbières riches en carbone au réchauffement

Selon une étude récemment publiée dans le Nouveau Phytologue.

Des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont découvert que certaines bactéries augmentent la résilience climatique de la mousse de sphaigne, la minuscule plante responsable du stockage d’un tiers du carbone du sol mondial dans les tourbières. Les microbes tolérants à la chaleur transfèrent cette protection aux plantes, les aidant à survivre au réchauffement climatique.

Une meilleure compréhension du fonctionnement du partenariat mutuellement bénéfique, ou symbiose, entre la mousse et les microbes pourrait ouvrir de nouvelles voies pour maintenir une mousse saine et préserver ces écosystèmes vitaux des tourbières qui séquestrent tant de carbone.

« Peut-être que tout n’est pas aussi grave que nous le pensons », a déclaré David Weston de l’ORNL, biologiste végétal et responsable de la récente étude. « Peut-être que les organismes sont plus résistants que nous ne le savons à ces conditions climatiques extrêmes. Nous constatons que vous pouvez influencer considérablement la capacité d’un organisme à gérer ces conditions stressantes uniquement sur son microbiome associé. »

L’équipe de recherche a découvert que des températures plus élevées modifient la composition des communautés microbiennes, ou microbiomes, vivant dans la mousse de sphaigne. Ce changement dans la composition de la communauté amène la sphaigne à activer certains gènes, déclenchant la production d’hormones et de protéines connues pour conférer une tolérance au stress.

L’équipe a démontré que les microbes tolérants à la chaleur, lorsqu’ils sont appliqués à de la mousse de laboratoire cultivée sans microbiome propre, suscitent la même réponse protectrice et permettent à la mousse de mieux survivre aux vagues de chaleur.

Les résultats offrent une lueur d’espoir pour la mousse et sa fonction de séquestration du carbone à mesure que les températures augmentent. Les résultats d’une étude antérieure de l’ORNL ont montré que des sections de tourbières chauffées dans une expérience de manipulation de l’ensemble de l’écosystème sont passées d’accumulateurs de carbone à des émetteurs de carbone en seulement trois ans, libérant du dioxyde de carbone et du méthane dans l’atmosphère.

De souris et de mousse

Lorsque Weston et une équipe multi-institutionnelle ont entrepris d’explorer si les microbes pouvaient transférer des caractéristiques souhaitables à la mousse, ils ont été inspirés par une source improbable : une étude sur des jumeaux humains. Les jumeaux avaient des physiques différents avec un jumeau tendant vers l’obésité et l’autre maigre. Lorsque des micro-organismes de leurs voies digestives ont été transférés à des souris qui n’avaient presque pas de microbiomes, la souris avec les microbes du jumeau obèse est devenue plus grosse que l’autre, même si les deux souris mangeaient le même régime.

Weston s’est demandé pourquoi ne pouvons-nous pas faire quelque chose de similaire dans les plantes ?

Pour répondre à cette question, l’équipe de recherche a prélevé des échantillons de microbes sur le site du DOE Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) dans le nord du Minnesota. SPRUCE est un site expérimental unique avec une série de grandes enceintes, mesurant 23 pieds de haut sur 43 pieds de large, qui réchauffent des sections de tourbière à cinq températures différentes et les exposent à des niveaux élevés de dioxyde de carbone. Ces enceintes permettent aux scientifiques de mesurer les effets des futurs climats potentiels.

Dans les enceintes plus chaudes, les microbes sont adaptés aux températures plus chaudes et peuvent transmettre cette tolérance à la chaleur à la mousse. Les chercheurs l’ont montré en extrayant les microbes – ceux qui vivent à l’intérieur des mousses dans une enceinte à température ambiante et ceux qui vivent dans les enceintes SPRUCE les plus chaudes, environ 16 F plus chaudes – et en transférant ces groupes de microbes à des mousses qui ont été cultivées en laboratoire sans microbiomes. de leur propre.

Les chercheurs ont utilisé des chambres environnementales à l’ORNL pour soumettre les mousses de laboratoire à de brèves périodes de températures plus élevées, appelées chocs thermiques. Sous ces vagues de chaleur simulées, le microbiome prélevé dans l’enceinte plus chaude a transmis une tolérance à la chaleur significative aux mousses de laboratoire.

Les scientifiques ont mesuré des changements similaires dans les gènes et les protéines ainsi qu’une augmentation de la croissance de la mousse dans la mousse de laboratoire qui a reçu le microbiome résistant à la chaleur, même lorsque les chercheurs n’ont pas soumis la mousse de laboratoire à un choc thermique. Cela indique que les microbes ont conféré un préconditionnement protecteur à la mousse.

Les changements moléculaires créent des effets sur l’écosystème

Les cyanobactéries sont des membres clés du microbiome de la mousse et ont tout intérêt à maintenir la mousse en bonne santé, car la mousse offre aux bactéries un refuge contre l’acidité vinaigrée de la tourbière. Les microbes vivent à l’intérieur des cellules mortes, appelées cellules hyalines, qui entourent les folioles de la mousse. Ces cellules retiennent l’eau pour la mousse sans racines et fournissent aux microbes un environnement moins acide.

La mousse a également besoin des cyanobactéries. Les microbes extraient l’azote de l’air et le fournissent à la plante sous une forme que la mousse peut utiliser pour alimenter sa croissance. En retour, la mousse fournit aux bactéries des sucres. Une étude récente de Weston et de ses collègues a découvert de nouveaux détails sur le fonctionnement de cette importante relation symbiotique.

« Nous constatons que les mécanismes par lesquels la plante et les microbes travaillent ensemble pour former ces interactions symbiotiques influentes sont beaucoup plus compliqués que nous ne le pensions », a déclaré Weston. « La symbiose dépend d’interactions environnementales extérieures ainsi que d’interactions génétiques très fortes. »

Les chercheurs ont découvert que la mousse fournit aux cyanobactéries des composés riches en soufre et une forme inhabituelle de sucre, appelée tréhalose de carbone, qui reste stable dans l’environnement acide. Bien que les preuves montrent que ces facteurs sont importants pour maintenir la symbiose entre la sphaigne et les cyanobactéries, les chercheurs ne comprennent pas encore les mécanismes sous-jacents.

L’équipe a démontré que l’acidité, ou le faible pH, de la tourbière est essentielle à la symbiose mousse-microbe. Sans l’environnement acide, les cyanobactéries n’interagissent pas avec la mousse et consacrent plutôt leurs réserves d’azote à leur propre croissance.

« Cela répond à une question écologique de longue date sur les fens par rapport aux tourbières », a déclaré Weston. « Les fens sont des zones humides dont le pH est plus élevé, et les cyanobactéries fixent beaucoup d’azote dans ces écosystèmes. Mais vous voyez très peu de mousse dans les fens. »

La découverte du pH indique également une voie potentielle vers la surveillance et la gestion des tourbières à l’avenir afin de maintenir l’environnement acide qui favorise la symbiose mousse-microbien. Le partenariat maintient la mousse en bonne santé et remplit ses fonctions essentielles en capturant le carbone de l’atmosphère et en l’enfermant dans les profondeurs humides de la tourbière, ajoutant aux couches de plusieurs mètres de profondeur de matière végétale ancienne.

« Je suis quelque peu optimiste que si nous pouvons comprendre ces clés des interactions symbiotiques, cela nous donnera peut-être une autre méthode ou un autre mécanisme par lequel les systèmes peuvent devenir plus résistants au climat », a déclaré Weston.