En symbiose avec les plantes, les champignons mycorhiziens défient notre vision du vivant

Source: The Conversation – in French – By Coline Deveautour, Enseignante-Chercheuse en Ecologie microbienne des sols, UniLaSalle

L’ESSENTIEL

De très nombreux champignons vivent connectés aux racines des plantes.
Leurs caractéristiques, inédites au sein du vivant, interrogent les scientifiques.
Comprendre leur fonctionnement nous aiderait à préserver la santé des sols et à protéger les cultures.

Depuis des centaines de millions d’années, des champignons particuliers entretiennent une relation étroite avec la majorité des plantes terrestres. On les appelle champignons mycorhiziens, car ils vivent en association avec les racines des plantes (du grec « myco » pour champignon et « rhiza » pour racine). Capables de s’associer à une grande diversité de plantes, ils prospèrent ainsi dans de nombreux environnements différents.

Cette exceptionnelle capacité d’adaptation fait des champignons mycorhiziens des acteurs majeurs de la fertilité des sols et de l’adaptation des plantes face aux contraintes de leur environnement. Leurs propriétés suscitent aujourd’hui un intérêt croissant, notamment en agriculture, où ces champignons apparaissent comme une solution prometteuse pour limiter l’usage des engrais tout en aidant les cultures à mieux faire face aux effets du changement climatique.

Mais comment ces organismes, présent sur l’ensemble du globe terrestre, parviennent-ils à s’adapter à des conditions aussi diverses ? La réponse pourrait résider dans leur organisation biologique singulière, encore largement méconnue, qui les distingue de tous les autres organismes connus.

Vue au microscope de cellules colorées en bleu — Fragment de racine colonisée par des champignons colorés en bleu. Les structures observées sont les hyphes (filaments) et les arbuscules (la zone d’échange de nutriments).
Coline Deveautour/UniLaSalle, Fourni par l’auteur

Une cellule géante aux milliers de noyaux

Les champignons mycorhiziens les plus répandus sont les champignons arbusculaires. Ils pénètrent dans les racines des plantes et y forment de petites structures en forme d’arbre, d’où leur nom. Ces structures constituent de véritables zones d’échange où les champignons fournissent à la plante des nutriments en échange des sucres que cette dernière a produits par la photosynthèse. D’autres formes de mycorhizes existent : la truffe, par exemple, développe ce que l’on appelle des ectomycorhizes. Ici, nous allons nous focaliser sur les particularités des champignons arbusculaires.

Dans nos sols, ces champignons se développent sous la forme d’un vaste réseau de filaments microscopiques, appelé mycélium. Celui-ci explore en permanence son environnement à la recherche d’eau, de nutriments et de nouvelles racines avec lesquelles établir une symbiose. Contrairement à la plupart des organismes, dont les cellules sont séparées par des cloisons, les champignons mycorhiziens fonctionnent comme un réseau continu pouvant s’étendre sur plusieurs mètres. Cette architecture favorise l’exploration et la circulation des ressources à travers le réseau souterrain.

Mais leur particularité la plus étonnante se cache à l’intérieur de ces filaments, qui renferment des centaines, voire des milliers de noyaux circulant librement. Ils se déplacent parfois même à l’inverse du courant du cytoplasme, le liquide qui parcourt le mycélium. Plus surprenant encore, ces noyaux ne sont pas toujours génétiquement identiques : un même individu peut abriter plusieurs variantes génétiques. Ainsi, alors que les cellules humaines partagent presque toutes le même ADN, un champignon mycorhizien arbusculaire peut réunir plusieurs variantes génétiques au sein d’une même structure vivante, qui fonctionne pourtant comme un seul organisme.

Pourquoi conserver une telle diversité interne ? La question se pose encore. Les scientifiques cherchent pour le moment à mieux comprendre ce phénomène. Cette organisation pourrait constituer une sorte de « boîte à outils génétique », donnant au champignon une grande capacité d’adaptation. Selon les conditions du sol, du climat ou de la plante hôte, certains noyaux pourraient fournir des gènes plus performants que d’autres pour aider le champignon à réagir rapidement aux changements.

Une reproduction mystérieuse

Chez la plupart des champignons, la diversité génétique est renouvelée par le brassage des gènes lors de la reproduction sexuée, d’une manière semblable à ce qui existe dans le reste du vivant, notamment chez les êtres humains. Les champignons mycorhiziens arbusculaires, eux, semblent suivre une autre voie, car aucune reproduction sexuée entre deux individus n’a été observée pour le moment. Pourtant, génération après génération, ils conservent une étonnante richesse génétique.

Pour se reproduire sans partenaire, ces champignons produisent eux aussi des spores. Ces structures se forment à l’extrémité du mycélium. Protégées par une ou plusieurs parois épaisses, elles peuvent survivre dans le sol jusqu’à ce que les conditions soient favorables à leur germination.

Vue au microscope avec un grossissement important, en noir et blanc, d’une spore — Spore de champignon mycorhizien avec une hyphe émergente en forme de tire-bouchon). Prise de vue au microscope électronique, résolution 500 micromètres.
Leah Laws/Hawkesbury Institute for the Environment, Fourni par l’auteur

Mais leurs spores possèdent des particularités remarquables par rapport à celles des autres champignons : elles sont souvent beaucoup plus grandes, colorées et renferment des centaines à des milliers de noyaux. Au moment de la germination, le jeune champignon hérite ainsi d’une grande diversité de noyaux plutôt que d’un patrimoine génétique unique.

Cette caractéristique pourrait jouer un rôle important dans la capacité d’adaptation de ces organismes. Certains chercheurs avancent que ces noyaux pourraient évoluer différemment, échanger de l’information génétique ou exprimer leurs gènes en fonction des conditions rencontrées. Cette richesse génétique n’explique cependant pas à elle seule l’incroyable capacité des champignons mycorhiziens à coloniser la planète. Et encore faut-il que leurs spores puissent atteindre de nouveaux milieux.

Vue au microscope de spores de champignons — Ensemble de spores de couleurs très variées : translucides, blanches, jaune orangé, rouges, marron et noires.
Coline Deveautour/UniLaSalle, Fourni par l’auteur

Des spores jusqu’en en haut des immeubles

Les champignons mycorhiziens arbusculaires vivent sous terre, au contact des racines. Ils ne produisent pas les fructifications visibles en surface que l’on peut ramasser et consommer chez d’autres espèces. On pourrait donc s’attendre à ce que leur dispersion soit très limitée. Pourtant, les chercheurs ont découvert des spores de champignons mycorhiziens dans l’atmosphère, y compris au cœur des villes et jusqu’au sommet d’immeubles d’une vingtaine de mètres. Comment des spores souterraines parviennent-elles à atteindre de telles hauteurs ?

Plusieurs mécanismes semblent expliquer cette surprenante mobilité. Les activités humaines, comme les travaux agricoles ou les chantiers, mais aussi l’érosion naturelle pourraient projeter les spores en l’air. Le vent prendrait alors le relais et les transporterait sur de longues distances. Les animaux semblent également contribuer à leur dispersion en déplaçant de la terre ou des fragments de racines colonisées, mais aussi par leurs déjections. Cette dispersion pourrait contribuer à la colonisation de nouveaux milieux et expliquer en partie l’extraordinaire répartition des champignons arbusculaires à travers le monde.

Un défi pour la recherche

Pour les scientifiques, l’étude des champignons mycorhiziens ressemble souvent à une enquête. La première difficulté est pratique : ils sont microscopiques et ne peuvent pas vivre seuls. Pour survivre et se développer, ils doivent être associés aux racines d’une plante. Impossible donc de les cultiver facilement en boîte de Petri comme on le fait pour tant d’autres microorganismes.

Dans nos laboratoires d’UniLaSalle, nous cherchons à observer ces organismes pour mieux les comprendre. Pour cela, nous prélevons des racines sur le terrain puis nous les colorons en bleu pour mettre en évidence les structures fongiques. Observées au microscope, elles révèlent alors l’ampleur de la colonisation des plantes étudiées.

Gros plan sur une boîte de Petri : les mains d’une personne manipulent des racines bleutées — Préparation des racines colorées pour observation au microscope.
Babacar Thioye/UniLaSalle, Fourni par l’auteur

L’étude des spores constitue une étape essentielle pour comprendre l’abondance et la diversité de ces champignons présents dans un sol. Ces spores représentent également l’une des principales formes de dissémination du champignon : elles peuvent germer, produire de nouveaux filaments et coloniser les racines des plantes. Pour les séparer du sol, des échantillons sont placés dans une solution de sucre concentrée puis centrifugés. Plus légères que les particules de sol, les spores remontent à la surface de ce milieu dense tandis que les éléments plus lourds restent au fond. Elles peuvent alors être récupérées, tamisées et observées au microscope.

C’est ainsi que nous déterminons la taille et la couleur des spores. Nous nous posons des questions sur la fonction des caractéristiques des spores : est-ce qu’elles résistent mieux à la sécheresse lorsqu’elles sont plus sombres ? Est-ce que des spores plus grosses favorisent la survie en conditions de stress ? En plus de ces techniques, nous pouvons aussi extraire et séquencer l’ADN, qui permet d’identifier les espèces de champignons mycorhiziens dans le sol et dans la plante.

Les champignons : des alliés contre le changement climatique

L’ensemble de ces méthodes nous permet de mieux comprendre comment ces champignons s’adaptent et interagissent avec leurs plantes hôtes. Demain, cela permettrait de sélectionner les associations les plus efficaces pour chaque culture et chaque contexte climatique. Par exemple, si des espèces de champignons très pigmentés sont plus résistantes à la sécheresse tout en étant bénéfiques pour les cultures, alors ils pourraient être utilisés pour stimuler la croissance des plantes malgré des conditions défavorables. Ce sujet est particulièrement important dans le contexte du changement climatique.

Nous utilisons aussi ces méthodes pour mieux comprendre la santé des sols et la manière dont les pratiques agricoles impactent les champignons. L’objectif est d’identifier les pratiques les plus vertueuses pour ces organismes symbiotiques et de préserver des communautés bénéfiques pour les cultures. Si les champignons mycorhiziens recèlent encore beaucoup de mystères, nous en apprenons de plus en plus à leur sujet et constatons les précieux services qu’ils nous rendent !

Cet article a été co-écrit avec Quentin Bordier, rédacteur scientifique à l’institut polytechnique UniLaSalle.

Coline Deveautour ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.

– ref. En symbiose avec les plantes, les champignons mycorhiziens défient notre vision du vivant – https://theconversation.com/en-symbiose-avec-les-plantes-les-champignons-mycorhiziens-defient-notre-vision-du-vivant-295024