Les épicéas, les pins, les sapins et d’autres arbres dominent les étendues de terre glaciales qui s’étendent sur l’Amérique du Nord, l’Europe du Nord et la Russie, formant un grand cercle autour du monde. Ces forêts boréales constituent le plus grand écosystème terrestre et les forêts les plus septentrionales de la planète.
Nichés dans les tissus photosynthétiques, ou mangeurs de lumière, des arbres boréaux – et dans les abondants lichens ressemblant à des nuages et les mousses plumeuses qui tapissent le sol entre eux – se trouvent des champignons. Ces champignons sont des endophytes, ce qui signifie qu’ils vivent dans les plantes, souvent selon un arrangement mutuellement bénéfique.
« Être une plante, c’est vivre dans un monde fongique », a déclaré Betsy Arnold, professeur à l’École des sciences végétales du Collège des sciences de l’agriculture, de la vie et de l’environnement et au Département d’écologie et de biologie évolutive du Collège des sciences et des sciences. membre de l’Institut Bio5. « Les champignons endophytes sont essentiels à la santé des plantes d’une manière qui n’est pas encore totalement comprise, mais ce que nous savons des endophytes en général, c’est qu’ils sont très efficaces pour protéger les plantes contre les maladies et les aider à être plus résilientes aux facteurs de stress environnementaux. , comme la chaleur. Ils ont fait partie d’une révolution importante dans notre réflexion sur les plantes.
Il y a plus de dix ans, Arnold et son équipe se sont lancés dans une aventure d’un mois au cœur de la nature sauvage du nord-est du Canada pour comprendre comment ces espèces fongiques se sont adaptées à différents microenvironnements et comment elles pourraient se comporter face au futur changement climatique.
Ils ont découvert une grande diversité parmi les champignons et qu’ils étaient adaptés de manière très spécifique à leurs conditions locales, ce qui implique qu’ils seront sensibles aux futurs changements climatiques. La santé des champignons étant si étroitement liée à celle de leurs hôtes, ces découvertes ont des implications sur la santé globale des futures forêts boréales et sur notre planète.
« Les forêts boréales jouent un rôle central dans les cycles du carbone et de l’eau de notre planète », a déclaré Arnold. « Et notre travail souligne qu’ils abritent certains des endophytes fongiques les plus diversifiés au monde sur le plan évolutif, des endophytes que l’on ne trouve nulle part ailleurs. »
Après plus d’une décennie d’analyse, leurs conclusions ont été publié dans la revue Biologie actuelle.
« Notre étude collaborative a mis en lumière la diversité des champignons endophytes récemment découverts dans le biome boréal et leur sensibilité au climat », a déclaré Shuzo Oita, co-auteur principal de l’étude, qui a terminé ses études de doctorat dans le laboratoire d’Arnold et est maintenant chercheur scientifique à Sumitomo. Chemical Co., Ltd. « Les endophytes sont souvent négligés car ils se trouvent dans des tissus végétaux sains, mais leur importance dans la biodiversité et les écosystèmes a été révélée récemment. »
Voler pour les champignons
La collecte des données pour arriver à cette conclusion a été un effort gargantuesque qui a obligé Arnold et ses collègues à entreprendre certains des travaux de terrain les plus intenses de sa vie, a-t-elle déclaré.
Pendant un mois au cours de l’été 2011, l’équipe a engagé un pilote expert « pour accéder aux endroits où les routes ne mènent pas », a déclaré Arnold. L’équipe de six personnes a traversé les forêts boréales du sud du Canada jusqu’à la lisière de la toundra arctique, atterrissant leur hydravion dans des lacs en cours de route.
Trente-six fois, ils ont décollé et atterri au milieu de lacs isolés qui parsèment le paysage. En règle générale, ils ont passé environ six à 24 heures sur chaque site d’échantillonnage.
Le jour, ils ramassaient des feuilles d’épinettes saines ainsi que des mousses et des lichens frais sur le sol, rangeant leur trésor scientifique dans des sacs à fermeture éclair au fur et à mesure. Ils ont également foré des carottes de cernes d’arbres, dans l’espoir de révéler leur passé, comme leur âge et leur exposition aux incendies de forêt. Ils ont également mesuré diverses caractéristiques forestières pour comprendre comment les plantes varient dans le paysage.
La nuit, alors que les aurores boréales flottaient au-dessus de leur tête, ils traitaient leurs échantillons dans des laboratoires portables situés à l’intérieur des quartiers des pilotes. Ils ont stérilisé la surface des tissus frais pour les préparer à l’extraction de l’ADN et isolé des cultures fongiques pour visualiser et documenter les souches vivant dans leurs échantillons.
« Nous travaillions souvent jusqu’à 2 ou 3 heures du matin et dormions quelques heures avant de nous envoler vers le site suivant », a déclaré Arnold. Les longues journées ont porté leurs fruits : « Dans le monde fongique, une heure de terrain équivaut à une année de caractérisation et une décennie d’analyse potentielle. Et en quelques semaines seulement, nous avons parcouru beaucoup de chemin. »
Alors qu’ils voyageaient des régions les plus chaudes du sud vers le nord plus froid, ils ont répété leur échantillonnage à des intervalles d’environ 100 milles. Ils ont également échantillonné le long d’une seule bande de latitude tout aussi vaste mais représentant très peu de changement climatique, a déclaré Arnold.
Ils ont effectué un échantillonnage stratégique dans ces deux dimensions pour garantir que toute différence dans la biodiversité fongique était véritablement motivée par des différences environnementales plutôt que par la seule distance. Ensemble, ils ont parcouru près de 1 500 milles dans le DeHavilland Otter qui était leur maison mobile, partageant souvent leur espace de voyage avec des réservoirs de carburant supplémentaires.
Des études plus anciennes ont examiné la corrélation entre la biodiversité et la latitude, qui est souvent utilisée comme indicateur du climat. Ces études ont révélé qu’en général, la vie devient plus diversifiée à proximité de l’équateur, a déclaré Arnold. Par exemple, pour de nombreux groupes d’organismes, ceux des forêts tropicales humides présentent une plus grande biodiversité que ceux de la toundra arctique.
Il s’avère que ce n’est pas si simple lorsqu’il s’agit de champignons dans la zone boréale.
« Nous montrons que les communautés fongiques boréales ne changent pas nécessairement avec le climat de la même manière prévisible que les communautés végétales. Au lieu de cela, l’effet du climat sur ces champignons dépend fortement à la fois de l’espèce fongique et de l’hôte », a déclaré le co-auteur principal. Jana U’Ren, qui a terminé ses travaux de doctorat et mené les analyses en laboratoire pour ce projet en tant que scientifique postdoctorale avec Arnold avant de rejoindre l’Université de l’État de Washington. « Cela signifie que nous devons protéger les plantes et leurs endophytes fongiques dans tout le biome boréal, et pas seulement dans un seul endroit, sinon nous risquons de perdre une biodiversité vitale et des champignons protecteurs dans ces forêts importantes. »
Arnold pense que la dépendance particulière de ces endophytes fongiques au climat reflète un processus de co-évolution avec leurs hôtes – ou de « recherche et développement », comme elle l’a dit – à mesure que les plantes trouvent le partenaire endophyte idéal et s’épanouissent malgré les stress particuliers auxquels les plantes sont confrontées. dans ces rudes paysages nordiques.
« Les endophytes se trouvent partout dans le monde, mais il en existe des distinctifs dans différents environnements. Nous pensons que les symbioses avec les endophytes sont, en partie, la façon dont les plantes surmontent les défis environnementaux à l’échelle mondiale, c’est-à-dire avec leurs partenaires fongiques internes », Arnold dit.
« Il n’y a pas beaucoup d’informations sur ce que fait exactement un endophyte individuel pour une plante individuelle. Notre étude est donc fondamentale dans le sens où nous avons essayé de comprendre qui sont ces endophytes, comment ils sont distribués et comment ils pourraient changer avec un climat changeant.
Elle espère que les recherches futures pourront s’appuyer sur leurs découvertes.
« Ce que nous savons, c’est que nous perdons cette biodiversité lorsque ces forêts changent, et nous ne savons pas encore quels sont les éléments fonctionnels clés », a-t-elle déclaré.
Le collaborateur François Lutzoni, professeur de biologie à l’Université Duke et co-architecte de cette étude avec Arnold, est d’accord.
« C’est l’un des travaux de terrain les plus complexes que j’ai jamais réalisés, mais aussi l’une des expériences de recherche les plus exaltantes que j’ai vécues », a déclaré Lutzoni.
« Documenter la biodiversité dans notre monde en évolution est une recherche essentielle. Les spécimens que nous avons collectés sont déposés dans des herbiers et ont donc une valeur durable pour comprendre comment les espèces, leur répartition, leurs gènes et les écosystèmes qu’ils habitent changent au fil du temps. pour que les herbiers soient au service de la communauté scientifique, il faut les intégrer aux laboratoires de recherche d’universités de classe mondiale.
Dans cet état d’esprit, Arnold s’efforce désormais d’utiliser des endophytes cultivés sur place en Arizona pour améliorer la résilience des cultures dans ce monde en évolution.
« Tout comme les forêts boréales abritent une diversité inattendue d’endophytes, les plantes ici en Arizona aussi », a déclaré Arnold. « Nos prochaines étapes consisteront à exploiter ces endophytes riches et anciens comme outils pour aider les plantes à prospérer. En fin de compte, nous espérons qu’en comprenant ces champignons à l’échelle mondiale, nous pourrons non seulement tracer le passé et l’avenir d’un élément clé de la biodiversité de notre planète. , mais nous pouvons également exploiter ceux de nos régions pour faire prospérer les cultures avec une eau limitée et des températures en hausse. On pourrait dire que l’avenir est fongique.
Les autres co-auteurs sont Jolanta Miadlikowska de l’Université Duke, Bernard Ball de l’University College Dublin et de l’Université Duke, Ignazio Carbone de l’Université d’État de Caroline du Nord, Georgiana May de l’Université du Minnesota, Naupaka B. Zimmerman de l’Université de San Francisco, Denis Valle de l’Université de Floride et Valérie Trouet du Laboratoire de recherche sur les cernes des arbres de l’Université d’Arizona.
Plus d’information:
Jana M. U’Ren et al, Les facteurs environnementaux et les points chauds cryptiques de la biodiversité définissent les endophytes dans le plus grand biome terrestre de la Terre, Biologie actuelle (2024). DOI : 10.1016/j.cub.2024.01.063