La génomique éclaire l’histoire évolutive des champignons symbiotiques forestiers

Les champignons symbiotiques mycorhiziens jouent un rôle majeur dans les écosystèmes terrestres en facilitant l’acquisition de nutriments par les plantes. Mais comment ces champignons sont-ils devenus symbiotiques ? Grâce à l’analyse du génome de 135 espèces de champignons forestiers, la plus vaste à ce jour, un consortium international de chercheurs, coordonné par l’équipe de Francis Martin (UMR IaM, INRAE, LabEx ARBRE) et le Joint Genome Institute (Département de l’Energie américain) et impliquant l’Université de Lorraine et le CNRS, explique comment ces champignons sont passés d’organismes se nourrissant de matière en décomposition à des symbiotes alliés aux plantes au cours de l’évolution. Leurs résultats ont été publiés le 12 octobre 2020 dans Nature Communications.

Il existe plusieurs types de champignons définis par leur mode de nutrition : les pathogènes qui parasitent des organismes vivants pour se nourrir, les saprotrophes qui se nourrissent de matière organique en décomposition et les mycorhiziens qui sont en symbiose avec les plantes. La symbiose est une relation gagnant-gagnant pour la plante et le champignon. Le champignon facilite l’absorption par les plantes des éléments minéraux essentiels, comme l’azote et le phosphore, et les plantes apportent des sucres simples aux champignons associés et un environnement favorable à leur développement. Cette symbiose mutualiste aurait permis la colonisation des milieux terrestres par les plantes. Afin de comprendre comment sont apparus les traits symbiotiques chez les champignons forestiers, le consortium a comparé les fonctions codées par le génome de 135 espèces dont 62 espèces mycorhiziennes. L’originalité de cette nouvelle étude réside dans le séquençage et l’analyse de 29 nouveaux génomes d’espèces de champignons symbiotiques appartenant à des familles jouant un rôle clé dans les écosystèmes forestiers, telles que les Russules et les Chanterelles, très fréquents dans les forêts tempérées.

Leurs résultats montrent que les multiples transitions d’un mode de vie saprotrophe à symbiotique s’accompagnent de la perte des gènes codant les enzymes dégradant la paroi cellulaire végétale (par exemple les cellulases et les ligninases), de la réorientation de gènes présents chez des ancêtres saprotrophes pour remplir de nouvelles fonctions symbiotiques (par exemple des transporteurs membranaires de sucres ou d’acides aminés) et de l’apparition de nouveaux gènes impliqués dans la communication avec la plante. Ces mécanismes sont observés dans toutes les familles de champignons basidiomycètes et ascomycètes1 ectomycorhiziens2 (20 000 espèces) illustrant ainsi une remarquable convergence évolutive3 couvrant plus de 100 millions d’années d’histoire évolutive. Pour la première fois, les chercheurs ont également identifié quelques espèces de champignons « hybrides », encore capables de décomposer la matière organique, tout en établissant une symbiose avec les racines de leur plante-hôte. Chez ces champignons, les gènes codant les enzymes de dégradation de la paroi végétale sont encore présents, mais réprimés lors de la symbiose. Il pourrait bien s’agir des premiers pas vers la symbiose stricte.

Cette nouvelle étude accroît de façon considérable les ressources génomiques disponibles pour étudier les mécanismes qui régissent le développement et le fonctionnement des symbioses mycorhiziennes. Outre une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des champignons forestiers, ces ressources sont désormais utilisées pour étudier le fonctionnement des communautés de champignons dans les écosystèmes forestiers soumis aux aléas des changements environnementaux.

[1] Les basidomycètes et les ascomycètes sont deux classes de champignons. Les basidomycètes désignent les espèces dont les spores se forment à l’extérieur de cellules spécialisées (entre autres la plupart des champignons à chapeaux). Les ascomycètes sont une classe réunissant les espèces de champignons dont les spores se forment dans des cellules spécialisées (les asques) comprenant notamment les morilles, les pézizes, les truffes, les levures…

[2] Les champignons ectomycorhiziens colonisent les racines des plantes avec lesquelles ils sont en symbiose et leur permettent d’avoir accès plus facilement à des minéraux.

[3] On parle de convergence évolutive lorsque plusieurs espèces différentes soumise aux même contraintes environnementales adoptent des réponses adaptatives similaires, ici la symbiose ectomycorhizienne.

 

Référence

Miyauchi, S., Kiss, E., Kuo, A. et al. Large-scale genome sequencing of mycorrhizal fungi provides insights into the early evolution of symbiotic traits. Nat Commun 11, 5125 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18795-w

Le Génie des Arbres

Le génie des arbres, un documentaire diffusé lors de la soirée Science Grand Format du jeudi 15 mai à 20h50 sur France 5 – avec plusieurs interventions des équipes du LabEx ARBRE …

Soutenance HdR

Cyrille Rathgeber soutiendra son habilitation à diriger des recherches (HdR) intitulée :

“Écophysiologie de la Formation du Bois : Concepts, Méthodes et Applications”

jeudi 5 septembre 2019 à partir de 14h00

Salle de conférence du Centre Inra Grand Est-Nancy


Changements du stock de bois sur pied des forêts françaises

Soutenance de la thèse d’Anaïs Denardou-Tisserand :

“Changements du stock de bois sur pied des forêts françaises – Description, analyse et simulation sur des horizons temporels pluri-décennal (1975 – 2015) et séculaire à partir des données de l’inventaire forestier national et de statistiques anciennes”,

Vendredi 8 février 2019, à 9h, à l’Amphi Cuénot à l’Aquarium de Nancy.

Contexte. Après des siècles de diminution, la surface forestière de la plupart des pays développés augmente, un phénomène appelé « transition forestière ». Le stock de bois sur pied présente une augmentation plus rapide mais son évolution, associée à des problématiques actuelles majeures, reste négligée. Il est indispensable de caractériser et comprendre ces évolutions, d’en connaître les causes sous-jacentes, et de les reconstituer sur le long terme afin de pouvoir situer les ressources forestières dans une trajectoired’ensemble et anticiper leur dynamique future. Cette thèse est consacrée aux forêts françaises métropolitaines et repose principalementsur les données de l’IFN.

Objectifs.

(1) Analyser les changements de surfaces, de stock et de densité de stock et leurs hétérogénéités spatiales et temporelles, sur 40 ans (1975 – 2015) en fonction de facteurs présumés structurer ces évolutions (géographie, propriété et composition). L’existence de changements de vitesse d’expansion a été recherchée. Le lien entre les changements de stock et des propriétés de la forêt (stock et densité de stock initiaux, augmentation récente de surface) ont été analysés.

(2) Analyser les mécanismes des changements de stock et décomposer l’expansion selon des ensembles forestiers homogènes du point de vue de leur dynamique. L’analyse se fonde sur une estimation des flux de stock : croissance, recrutement, mortalité et prélèvement.

(3) Situer l’expansion actuelle du stock dans une dynamique séculaire. Les stocks de 1892, 1908 et 1929 (associés aux surfaces de statistiques anciennes) ont été estimés par une approche d’imputation conditionnelle de la densité. Un modèle synthétique de densification du stock des forêts a été testé afin d’étudier à quelles conditions sur cette densification il est possible de retracer la chronologie présumée du stock.

Résultats.

(1) Sur 40 ans, l’expansion en stock a été trois fois plus rapide que celle des surfaces, soulignant l’intensité de la densification des forêts, et ne présente aucun signe de saturation. Les forêts privées, et principalement les forêts feuillues, présentent les expansions de stock et de densité de stock les plus marquées, suggérant le rôle important de l’expansion naturelle et de l’abandon de terres agricoles. Les modèles statistiques révèlent l’effet positif du stock initial et des variations passées de surface sur l’expansion.

(2) L’analyse des mécanismes d’expansion a mis en évidence le moindre niveau des prélèvements relativement à la croissance des forêts, et la contribution des forêts jeunes au développement des ressources. Quatre ensembles forestiers synthétiques de dynamiques distinctes et principalementcomposés de stocks en forêt privée expliquant l’expansion du stock sont identifiés.

(3) La reconstitution du stock depuis 1850 suggère une faible densité de stock au début de la période (25 m3/ha) et une augmentation de stock de presque +300% entre 1892 et 2010, soulignant l’importance de cette expansion. Un modèle convexe a été nécessaire pour représenter la densification des forêts, attestant d’une inertie importante à la reconstitution des ressources, interprétée relativement à la baisse progressive des prélèvements ou à une reconstitution progressive de fertilité. Les analyses suggèrent enfin une évolution différenciée dans le temps du modèle de densification pour les forêts provenant de plantations.

Conclusion. Ces travaux ont permis de montrer l’importance de l’expansion en stock et la nécessité de contextualiser cette expansion. Cette expansion ancienne ne montre pour l’instant aucune saturation et constitue un stock de carbone croissant qui ne devrait pas diminuer dans les prochaines décennies à conditions contextuelles identiques. L’analyse causale révèle qu’une part importante de l’expansion du stock ne constitue pas une ressource immédiatement disponible. Les futures politiques d’intensification des prélèvements doivent donc être circonstanciées et échelonnées dans le temps.

Mots clés : expansion forestière – transition forestière – surface forestière – stock sur pied – volume – surface terrière – composition forestière – gestion forestière – déprise agricole – plantations – prélèvements – inventaire forestier national