La symbiose ectomycorhizienne

Les mycorhizes
Les champignons ectomycorhiziens
Le rôle des mycorhizes
Développement de l'ectomycorhize
La symbiose fonctionnelle

Les mycorhizes
Les mycorhizes sont des associations symbiotiques contractées par les racines des végétaux avec certains champignons du sol. Elles favorisent l'absorption par les racines des éléments minéraux de la rhizosphère et du sol et améliorent ainsi la nutrition de la plupart des espèces végétales.
Les structures générées par l'association mycorhizienne peuvent être classées sur la base de critères écologiques, morphologiques et physiologiques. On distingue plusieurs types de mycorhizes : les endomycorhizes à arbuscules, les ectomycorhizes, et les ectendomycorhizes, ainsi que des mycorhizes arbutoïdes, monotropoïdes et orchidoïdes.

Les endomycorhizes, se caractérisent par l'absence de manteau fongique autour de la racine. Elles sont fréquentes et très répandues et concernent environ 80% des espèces végétales. On les rencontre essentiellement chez les plantes herbacées et chez quelques espèces ligneuses, telles que le Peuplier et l'Eucalyptus. Les champignons formant les endomycorhizes sont des Champignons Inférieurs (Phycomycètes) qui appartiennent à la famille des Endogonacées (Zygomycètes). Au contact de la cellule racinaire, l'hyphe forme un appressorium. Le mycélium pénètre dans les cellules racinaires, il franchit les parois et repousse le plasmalemme des cellules-hôtes sans le traverser (voir figure). Les hyphes passent ensuite de cellule à cellule et progressent également dans les méats. Dans les cellules corticales, le champignon développe des arbuscules et dans la plupart des cas, des vésicules.
Les mycorhizes ectotrophes, ou ectomycorhizes, sont des associations où le mycélium progresse entre les cellules du cortex racinaire pour former le réseau intercellulaire de Hartig. Les champignons ectomycorhiziens, ascomycètes et basidiomycètes, sont associés surtout à des espèces ligneuses de familles telles que les Myrtacées, les Pinacées, les Abiétacées, les Fagacées, les Tiliacées, les Ulmacées et les Salicacées. Les arbres qui dépendent de cette symbiose ne représentent pas plus de 3% des taxa végétaux, mais ils constituent cependant les essences dominantes des forêts des régions boréales, tempérées et montagneuses.
Les champignons ectomycorhiziens sont des Ascomycètes (truffes, terfez) et des Basidiomycètes (amanites, chanterelles, cortinaires). Le mycélium progresse entre les cellules corticales mais ne pénètre pas dans les cellules vivantes. L'ectomycorhize se concrétise chez la plupart des végétaux ligneux par la formation de tissus spécialisés (manchon fongique pseudoparenchymateux, réseau intercellulaire de Hartig). Au niveau anatomique, l'ectomycorhize est constituée :
- des hyphes extramatricielles se propageant dans le milieu extérieur et assumant un rôle essentiel d'exploration et d'absorption,
- des hyphes étroitement agglomérées et formant un pseudoparenchyme et constituant le manchon mycélien ou manteau gainant la racine,
- les hyphes du réseau de Hartig qui s'insinuent entre les cellules du cortex racinaire sans jamais pénétrer dans les cellules de l'hôte ; c'est à leur niveau que sont supposés s'effectuer les échanges d'élements nutritifs (sucres, acides aminés, éléments minéraux).
Dans le détail, il existe une grande variabilité de la structure du manteau et du réseau de Hartig. Le manteau et les hyphes extramatricielles varient par leur couleur et leur texture. Le réseau de Hartig entoure plus ou moins les cellules corticales.
Les ectendomycorhizes sont des types d'associations intermédiaires entre les deux précédentes ; un manteau externe coexiste avec des hyphes qui pénètrent à l'intérieur des cellules racinaires, soit sous forme de pelotons (mycorhizes arbutoïdes), soit sous forme d'hyphes très courtes (mycorhizes monotropoïdes). Les ectendomycorhizes arbutoïdes sont présentes chez les Ericacées dans les genres Arbutus et Arctostaphylos et les monotropoïdes chez des Pyrolacées du genre Monotropa et Pyrola.

Dès 1885, Frank et les premiers mycorhizologues estimaient déjà que les champignons ectomycorhiziens favorisaient la nutrition azotée et phosphatée des arbres associés et dépendaient des sucres prélevés chez ces derniers pour assurer leur croissance végétative et accomplir leur cycle sexuel. Chez les ectomycorhizes, les relations nutritionelles entre les symbiotes sont basés sur deux caractéristiques essentielles.
Premièrement, l'hyphe progressant dans le sol absorbe, le plus souvent de façon active, les ions minéraux qui sont alors transportés par le mycelium ou les rhizomorphes vers la racine-hôte. L'absorption des éléments minéraux peu mobiles dans le sol (phosphate, potassium...) ou adsorbés sur les particules du sol (ammonium...) est particulièrement dépendante de ce mécanisme. En effet, ces ions sont rapidement absorbés par la racine en croissance et il se forme dans la rhizosphère de celles-ci une zone de déplétion conduisant à des carences minérales.
L'absorption de la racine est alors fonction de l'approvisionement en éléments minéraux de la région péri-racinaire par diffusion des ions dans le sol plutôt que des besoins réels des tissus racinaires. Les vitesses de transport des métabolites le long du mycélium ectomycorhizien sont plus élevées que les taux de diffusion des ions dans le sol et de ce fait les hyphes restaurent un approvisionement normal du système racinaire.
La fourniture, par la plante-hôte, de composés carbonés au champignon associé constitue la seconde caractéristique des relations nutritionelles entre champignons ectomycorhiziens et racine. Harley et Smith (1983) ont souligné que ces échanges de nutriments ne s'effectuaient qu'entre les cellules vivantes et en contact étroit. Cette condition n'est remplie que pendant une période limitée du développement de la symbiose et dans une région racinaire restreinte : la zone d'infection mycorhizienne. Avant ce stade de développement le contact entre les partenaires est réduit et après celui-ci les cellules de la racine et/ou du champignon sont en phase de sénescence.
Le succès d'une association symbiotique, qu'il soit défini en termes d'évolution ou de physiologie, nécessite un degré élevé de coordination intercellulaire et de corégulation métabolique aboutissant à la mise en place de caractéristiques spécifiques de la symbiose à différents niveaux de l'organisation symbiotique. Cette coordination entre les partenaires est indispensable si une association à long terme doit s'établir. Ces quarante dernières années, nos connaissances sur la physiologie et le fonctionnement de la symbiose ectomycorhizienne se sont considérablement accrues (Harley & Smith, 1983 ; Smith & Read, 1996). Ces travaux ont permis de comprendre les mécanismes d'absorption, d'accumulation et de transport du phosphate, de l'azote et des sucres dans les ectomycorhizes.
Les approches génétiques et moléculaires ont permis de démontrer que le développement et le fonctionnement des ectomycorhizes étaient sous le contrôle métabolique et génétique des deux partenaires. Ce contrôle s'exerce sur :

les processus de reconnaissance plante-hôte-champignon,
la pénétration et l'infection des tissus racinaires,
la morphologie de la racine (prolifération des racines latérales, allongement radiale des cellules rhizodermiques) et des tissus fongiques (formation du manteau et du réseau de Hartig),
la réorganisation du métabolisme des symbiotes,
la régulation du fonctionnement de l'ectomycorhize et l'intégration de ce nouvel organe dans la biologie de la plante entière.

La plupart des recherches appliquées effectuées à ce jour renforce l'idée que l'application rationnelle des mycorhizes en vue d'améliorer la production forestière passe par l' introduction d'un matériel végétal biologiquement et/ou génétiquement modifié. Il existe un réservoir inexploré de souches fongiques mycorhiziennes, souvent mal connues sur le plan taxonomique. Une bonne utilisation de ce potentiel exige, d'une part la mise en oeuvre d'un très grand nombre d'essais et d'observations de terrain et, d'autre part une meilleure connaissance du rôle de chacun des partenaires dans les relations plantes-champignons.

Les champignons ectomycorhiziens
Les champignons formant des ectomycorhizes appartiennent au groupe des Basidiomycètes et des Ascomycètes. Chez les Basidiomycètes, beaucoup de familles présentent une ou plusieurs espèces de champignons ectomycorhiziens (Agaricaceae, Amanitaceae, Boletaceae, Cortinariaceae). Chez les Ascomycètes, les familles les plus concernées sont les Elaphomycetaceae et les Terfeziaceae.
Pour les champignons ectomycorhiziens associés à l'Eucalyptus, on peut citer : Pisolithus tinctorius (Pers. Coker & Couch), Scleroderma bovista Fr., Rhizopogon luteolus Fr. & Nordh., Hydnangium carneum Wallr. et Laccaria bicolor(Scop. ex Fr.) Berk. & Br.

Le rôle des mycorhizes

Nutrition minérale
Les champignons mycorhiziens sont tous hétérotrophes pour le carbone et la plupart le sont pour les vitamines telles que la thiamine et la biotine. Pour la grande majorité de ces champignons, la source essentielle de carbone est fournie par la plante-hôte sous forme de saccharose, glucose et fructose, mais certaines espèces utilisent des protéines et des complexes polymérisés, comme la cellulose, la lignine. Quand le champignon n'est pas associé à la plante-hôte, sa capacité à dégrader les composés macromoléculaires, comme la lignine, est limitée. Il semblerait toutefois que la capacité de celui-ci à assimiler les protéines a été largement sous-estimée. Les plantes sont limitées dans leur croissance par leur incapacité à optimiser le prélèvement par les racines des éléments minéraux du sol, comme le phosphore et l'azote.
Dès 1885, Frank estimait que les champignons ectomycorhiziens favorisaient la nutrition phosphatée et azotée des arbres et dépendaient des sucres prélevés chez ces derniers pour assurer leur croissance végétative et accomplir leur développement. Les ectomycorhizes stimulent généralement la croissance et le développement de la plante-hôte, en particulier dans les sols forestiers où la disponibilité en éléments minéraux est faible (1-10 uM). Cette stimulation de la croissance se traduit, en particulier, par l'augmentation des teneurs en phosphore et en azote des arbres mycorhizés. Or, il est connu que dans les sols forestiers, l'azote et le phosphore sont les deux principaux facteurs limitant la croissance des arbres.
La surface d'absorption par les racines de tous ces éléments est très fortement augmentée par la présence du mycélium tout autour des racines. Les hyphes mycéliennes peuvent s'étendre assez loin du système racinaire. Des expériences réalisées avec du phosphore radioactif ³²P, ont démontré que les hyphes mycéliennes absorbent le phosphore à plus de 7 cm de la racine, dans le cas des endomycorhizes, et à 10 cm, ou plus, dans le cas des ectomycorhizes.
Cependant, si la symbiose mycorhizienne est caractérisée par un flux d'éléments minéraux dans le sens champignon-arbre, il ne faut pas oublier qu'elle est définie également par un flux de photosynthétats dans le sens arbre-champignon. En effet, l'approvisionnement par la plante-hôte de composés carbonés au champignon constitue la seconde caractéristique des relations nutritionnelles de l'ectomycorhize.
Les champignons ectomycorhiziens jouent également un rôle important dans l'absorption, le transfert ou l'immobilisation d'autres éléments minéraux du sol, comme le cuivre, le fer, le zinc et le potassium. Des métaux lourds, parfois présents en excès dans certains sols acides (aluminium, cadmium, zinc), sont absorbés et accumulés par les cordons mycéliens qui les piègent. Cette faculté fait de ces champignons de bon détoxificateurs des sols.
Au cours de ces dernières années, les connaissances sur la physiologie de la symbiose ectomycorhizienne se sont multipliées et ont permis de mieux comprendre les mécanismes d'absorption, d'accumulation et de transport du phosphate, de l'azote et des glucides dans ces associations. D'après ces dernières observations, il apparaît que le développement et le fonctionnement de la symbiose ectomycorhizienne sont sous le contrôle métabolique et génétique des deux partenaires.

Alimentation en eau
Les études morphologiques ont montré que les structures mycéliennes sont bien adaptées aux mouvements de l'eau entre les champignons et les plantes. Les rhizomorphes ont, en particulier, des grands éléments conducteurs possédant peu de cloisons transversales et pratiquement dépourvus de cytoplasme. Ce système est bien adapté au transport des solutés sur de longue distance et assure les inter-connections entre différentes plantes. Les éléments conducteurs ne s'observent pas dans le manteau, ce qui permet de penser que l'eau emprunte le symplasme et parfois les structures apoplastiques pour atteindre ensuite les parois et le cytoplasme des cellules racinaires. L'infection mycorhizienne peut augmenter l'adaptation des plantes aux conditions de sécheresse. L'effet bénéfique de la mycorhization dans l'alimentation hydrique de la plante-hôte est en partie lié au vaste réseau d'hyphes qui prospectent le sol augmentant ainsi la surface de contact entre le sol et le système racinaire. Mais il existe également des mécanismes indirects comme le contrôle de la régulation stomatique et l'ajustement osmotique de la plante par le champignon.

Production d'hormones
L'association mycorhizienne joue un rôle dans la synthèse de composés complexes, comme les vitamines et les phytohormones. Certaines molécules synthétisées par la plante stimulent le développement du champignon (formation du carpophore, maturation des organes de reproduction). Un effet rhizogène du champignon a été mis en évidence par Slankis et Gay. Il est dû à son aptitude à produire des composés hormonaux et notamment de l'acide indole-3-acétique (AIA). Les auxines produites par le champignon interviennent probablement dans l'établissement de l'association symbiotique en stimulant la formation de racines courtes réceptives à l'infection. La présence du manteau fongique et des hyphes extramatricielles de racines courtes mycorhizées provoque une augmentation de la surface d'absorption, ce qui favorise un meilleur approvisionnement de la plante en éléments minéraux et en eau. De plus, les phytohormones produites par le champignon sont exportées vers la plante-hôte et affectent la croissance du système racinaire, du tronc, des tiges et des feuilles.

Protection phytosanitaire
La modification de l'environnement rhizosphérique par le symbiote fongique influence le développement des autres micro-organismes, incluant les pathogènes. L'association mycorhizienne peut également jouer un rôle indirect sur la croissance de la plante-hôte en affectant la microflore des sols, sur les autres micro-organismes du sol et surtout sur les micro-organismes pathogènes. L'association symbiotique est un moyen de lutte biologique contre les organismes pathogènes telluriques. Les exsudats racinaires sont modifiés par la présence du champignon qui les utilise pour ses propres besoins nutritionnels, réduisant d'autant la teneur en substrats carbonés simples du milieu rhizosphérique. Par ailleurs, le manteau fongique peut jouer le rôle d'obstacle mécanique difficile à franchir pour certains micro-organismes. De plus le champignon synthétise des inhibiteurs du développement de certains micro-organismes du sol (Rhizoctonia praticola, Phytophora cinnamoni) et contribue à l'augmentation de la résistance des plantes par divers mécanismes. Enfin et surtout, de très nombreux champignons ectomycorhiziens sont capables de produire des substances antibiotiques (chloromycorrhizin A, mycorrhizin A) qui peuvent protéger la plante-hôte.

Développement de l'ectomycorhize
Le développement de l'ectomycorhize impose aux partenaires des changements considérables dans leur morphologie et leur physiologie. Il implique une cascade d'événements parfaitement synchronisés et une coordination entre les génomes des deux partenaires. Cette coordination suggère l'existence de signaux échangés entre les symbiotes. Nous nous proposons de décrire rapidement les processus prenant place au cours de l'ontogenèse de l'ectomycorhize.
Le développement de la symbiose provoque des modifications morphologiques, physiologiques et moléculaires.

Développement de l'ectomycorhize

La symbiose fonctionnelle
Au niveau métabolique, on observe :

de profonds changements dans l'expression des gènes des partenaires symbiotiques et
de nouvelles régulations métaboliques liées à l'environnement nutritionnel particulier de la symbiose.

Le métabolisme du carbone
Le métabolisme du carbone a deux rôles essentiels quelque soit le type d'ectomycorhizes. Le premier est de fournir les substrats énergétiques et le pouvoir réducteur au mycélium et aux cellules de la racine. Le deuxième rôle est d'alimenter en squelettes carbonés les processus anaboliques qui conduisent à la biosynthèse des composés cellulaires. Ces dernières années les voies métaboliques constituant le métabolisme primaire des champignons ectomycorhiziens en culture pure ont été étudiées en détail. Par contre les connaissances sur ces voies métaboliques dans la symbiose sont limitées. Le carbone alimentant la composante fongique de l'association a trois origines principales :

les photosynthétats de la plante-hôte transportés via l'interface racine-champignon,
la fixation du CO₂ par les hyphes et les cellules racinaires et,
l'utilisation des polymères du sol par le mycélium ectomycorhizien.

Transport du carbone dans les ectomycorhizes

De la plante-hôte vers le champignon
L'installation et l'activité de la symbiose ectomycorhizienne sont fortement dépendantes d'un apport adéquat de carbone en provenance de la plante-hôte. Ce caractère fondamental de l'association a été reconnu depuis fort longtemps. La concentration en sucres solubles de la racine est un facteur important dans la formation des ectomycorhizes, la croissance végétative des hyphes et dans le développement du carpophore. Puisque le champignon utilise de façon limitée les composés carbonés macromoléculaires (lignine, cellulose...) du sol, le partenaire fongique dépend d'un apport constant de photosynthétats en provenance de la plante. Tous les facteurs conduisant à une diminution de l'activité photosynthétique ( faible intensité lumineuse, durée de jours courte, défoliation...) réduisent la prolifération et l'extension des hyphes dans la racine.
Les mouvements de carbone au sein des tissus racinaires sont profondément affectés par l'infection mycorhizienne. L'ectomycorhize attire une forte proportion des composés carbonés racinaires mais la quantification précise de cette dérivation, c'est-à-dire le "coût de la symbiose", n'est pas connue. On ne dispose que d'estimations sur un nombre limité d'associations et les résultats expérimentaux, basés pour l'essentiel sur l'emploi de ¹⁴C0₂, sont tellement différents que l'on ne peut pas les généraliser. De plus, dans de nombreuses expérimentations, seule l'incorporation de carbone dans les tissus mycorhiziens est quantifiée et les pertes de CO₂ par respiration sont négligées. De ce fait, les valeurs obtenues sous-estiment fortement la consommation de carbone par l'ectomycorhize. Récemment, ces problèmes méthodologiques ont été soulignés et une approche expérimentale plus rigoureuse a été utilisée pour étudier les endomycorhizes de plantes fixatrices d'azote et les ectomycorhizes de Pin. Ces auteurs s'accordent pour estimer le prélèvement de carbone photosynthétique à 7-10 % du carbone assimilé. La proportion d'assimilats mobilisée par les ectomycorhizes est vraisemblablement plus élevée du fait de l'extension considérable du mycélium (manteau, hyphes extramatricielles, formation de carpophores). Des valeurs aussi importantes que 40% ont été avancées.
La mycorhization modifie donc profondément le métabolisme du carbone de la plante-hôte. Ces modifications affectent un grand nombre de mécanismes fondamentaux de l'économie de la plante : photosynthèse, transport et répartition des assimilats, respiration racinaire.
Du champignon vers la plante-hôte
Les ectomycorhizes et leur mycélium externe se propageant dans le sol constituent un réseau reliant les différents systèmes racinaires d'un écosystème. Ce mécanisme permet l'échange de nutriments ou d'autres composés entre des plantes-mères et des jeunes plants d'espèces identiques ou différentes. Le mécanisme de transfert peut être décomposé en trois phases : transfert des composés carbonés d'une racine mycorhizée (plante-mère) vers les hyphes extramatricielles, transport des métabolites le long du mycélium ou des rhizomorphes reliant deux systèmes racinaires et transfert des hyphes extramatricielles vers l'ectomycorhize receveur. Le transfert de carbone entre les partenaires ne doit donc pas être considéré comme un mécanisme figé; l'intensité et le sens des flux de carbone est certainement fonction du stade de développement des différents partenaires (germination, formation du carpophore, ...) et des conditions bioclimatiques (notion de "plante-mère" alimentant en carbone les "plantes-enfants" placées sous son couvert).

Le métabolisme du phosphore
La concentration de P dans la solution des sols forestiers est en général très faible, elle est le plus souvent de l'ordre des uM. De plus, les interactions électrostatiques du phosphate avec les particules du sol et la séquestration à la surface des argiles font que le phosphate est l'ion majeur le moins diffusible. Son prélèvement par les racines peut être plus rapide que sa diffusion dans le sol et il s'installe alors une zone d'épuisement autour des racines non mycorhizées. La morphologie du système racinaire devient alors un facteur déterminant qui conditionne les possibilités de croissance de l'arbre. Toute augmentation de la surface racinaire, en particulier par l'intermédiaire des hyphes ectomycorhiziens associés, permettra de restaurer une alimentation en phosphate normale. D'ailleurs, l'effet bénéfique de la symbiose mycorhizienne sur la croissance de la plante-hôte résulte en grande partie de l'amélioration de la nutrition phosphatée.
Les champignons ectomycorhiziens contribuent de deux manières à améliorer la disponibilité en phosphore des arbres-hôtes. Nous l'avons vu, ils augmentent la quantité d'azote minéral absorbé par le système racinaire en augmentant la surface d'échange racine-sol, mais ils mettent également à la disposition de la plante associée des formes de phosphore généralement mal utilisées par les Végétaux Supérieurs : phytate, polyphosphates du sol . Enfin, les travaux menés à ce jour sur les ectomycorhizes et les endomycorhizes favorisent l'hypothèse selon laquelle la stimulation de la nutrition phosphatée de la plante-hôte résulte aussi de la capacité des champignons associés à accumuler de grandes quantités de phosphore.

Métabolisme des polyphosphates
Chez les ectomycorhizes, l'accumulation de phosphore absorbé a lieu dans le manteau fongique et s'effectue pour l'essentiel sous forme de polymères phosphorylés identifiés aux polyphosphates inorganiques. Une forte proportion de ces polyphosphates se présenterait sous forme de granules vacuolaires. Ils ont été mis en évidence chez plusieurs associations ectomycorhiziennes par cytochimie (Betula-Paxillus, Fagus sylvatica, Eucalyptus fastigata, Pinus radiata, Pseudotsuga mensiezii). Leurs propriétés sont voisines de celles des granules de volutine et granules de polyphosphates observés chez les bactéries et les levures par microscopie optique et électronique. Leur identification repose sur l'utilisation de colorants relativement spécifiques (plomb, bleu de toluidine). Chez quelques mycorhizes et microorganismes, l'utilisation de la microanalyse a permis de démontrer que ces "granules métachromatiques" étaient riches en phosphore et en cations métalliques (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺).

Utilisation du phosphore du sol
La stimulation des activités phosphatasiques excrétée et pariétale par les champignons ectomycorhiziens et les ectomycorhizes de pins lors d'une carence en phosphate a conduit de nombreux auteurs à attribuer un rôle important à ces enzymes. Leurs propriétés cinétiques et de régulation ont été caractérisées chez quelques champignons en culture pure, mais leur rôle est mal connu. Le champignon utiliserait les phosphatases afin d'hydrolyser les esters de phosphate présents dans le sol : phytate, polyphosphates, acides nucléiques.

Le métabolisme de l'azote
La plupart des espèces ligneuses croit sur des sols très pauvres en azote utilisable où les concentrations de la solution du sol sont le plus souvent inférieures à 0,5 mM. De ce fait, l'établissement d'une association symbiotique ectomycorhizienne est indispensable à la survie et au développement des arbres. On constate que la teneur en azote des individus mycorhizés est nettement plus élevée que celle des arbres non mycorhizés. Les champignons ectomycorhiziens ont la capacité d'absorber l'azote minéral et certaines formes d'azote organique et de le transporter par l'intermédiaire du mycélium extramatriciel vers les cellules de la racine. Cette meilleure utilisation par la plante ectomycorhizée du stock d'azote disponible dans les sols a un rôle écologique fondamental dans le cycle de l'azote des peuplements forestiers. Les champignons ectomycorhiziens contribuent de deux manières à améliorer la nutrition azotée des arbres-hôtes :

en mettant à la disposition de la plante associée des formes d'azote généralement mal utilisées par les Végétaux Supérieurs : acides aminés, peptides et protéines et
en augmentant la quantité d'azote minéral absorbé par le système racinaire.