Mycorhize
Une mycorhize (du grec ancien : ÎŒÏÎșÎ·Ï / mĂșkÄs, « champignon » et rhiza, « racine », terme introduit en 1885 par le botaniste Albert Bernhard Frank) est le rĂ©sultat de l'association symbiotique, appelĂ©e mycorhization, entre des champignons et les racines des plantes. La mycorhize est une composante majeure de l'Ă©daphon et de la rhizosphĂšre.
Dans cette association gĂ©nĂ©ralement non spĂ©cifique, les spores d'un champignon mycorhizien ou mycorhizogĂšne (du grec myco, rhiza et gĂ©nos, « engendrer », littĂ©ralement qui donne naissance Ă une mycorhize) sont dissĂ©minĂ©es par le vent (anĂ©mochorie), par la pluie (hydrochorie), ou par les dĂ©jections d'animaux (endozoochorie), germent, et donnent les hyphes du mycĂ©lium qui colonisent les racines dâune plante. Ces hyphes radiculaires se distinguent des hyphes extraradiculaires[2] qui se dĂ©veloppent Ă©galement Ă l'extĂ©rieur de la racine sur plusieurs centimĂštres, explorant le sol alentour du systĂšme racinaire de la plante hĂŽte. Ce que l'on appelle couramment champignon, que l'on cueille avec son pied et chapeau, n'est que la « fructification » du mycĂ©lium, le sporophore, oĂč se dĂ©roule la reproduction sexuĂ©e. Les hyphes se prĂ©sentent comme de fins filaments, capables d'explorer un trĂšs grand volume de sol (mille mĂštres de filaments mycĂ©liens pour un mĂštre de racine).
La relation mycorhizienne est de type symbiotique, mais un dĂ©sĂ©quilibre dans la relation peut ĂȘtre induit par une faiblesse de l'un des deux partenaires, l'association pouvant alors glisser le long du continuum mutualisme-parasitisme[3] - [4]. Le champignon peut alors aussi contribuer Ă recycler la nĂ©cromasse de son hĂŽte, au profit de leurs deux descendances.
Alors que la surface d'exploration exploitée par la plante n'est multipliée que par 10 par les poils absorbants, actifs seulement en période de germination[5], elle est multipliée par 10 000 grùce aux mycorhizes (filaments d'un diamÚtre d'un centiÚme de millimÚtre) qui ont un coût énergétique de mise en place cent fois moindre que les racines[6]. Les poils absorbants restent fonctionnels dans quelques groupes de plantes adultes (moins de 10 %) non mycorhizées qui ont perdu secondairement l'association fongique, plus de 90 % étant colonisées par ces hyphes du champignon symbiote qui assurent l'essentiel de l'absorption d'eau et des nutriments, et multiplient par dix la croissance de la plante[7]. Les estimations suggÚrent qu'il y a prÚs de 50 000 espÚces fongiques qui forment des associations mycorhiziennes avec 250 000 espÚces végétales, 80 % de ces associations correspondant à des endomycorhizes arbusculaires[8]. Il semble que les plantes non mycorhizées de milieux pionniers (absence de champignons), humides et/ou riches, dans lesquels l'approvisionnement hydrominéral ne nécessite pas de mycorhize, « aient eu besoin de compenser l'absence de l'auxiliaire fongique en développant des structures racinaires qui imitent les filaments mycéliens et leur grande efficacité pour coloniser un grand volume de sol[9] ».
Les recherches actuelles montrent une association plus large au niveau des mycorhizes, avec le concept de microbiome mycorhizien, appelé rhizomicrobiome, qui fait également intervenir des bactéries[10] - [11].
Histoire Ă©volutive des mycorhizes
Le symbiote originel (un glomĂ©romycĂšte semble-t-il), serait apparu il y a environ 500 millions d'annĂ©es[13] au PalĂ©ozoĂŻque, probablement au mĂȘme moment que les premiĂšres plantes terrestres. Des fossiles de la flore de Rhynie (e.g. Aglaophyton (en), Rhynia (en)), ĂągĂ©s d'environ 400 millions d'annĂ©es, comportent des mycorhizes morphologiquement identiques aux Glomales, associĂ©es aux rhizomes[14]. Ceci laisse penser que les mycorhizes ont Ă©tĂ© lâinstrument d'une colonisation accĂ©lĂ©rĂ©e des terres Ă©mergĂ©es, par leur capacitĂ© Ă extraire lâeau et les minĂ©raux du sol, assurant aux premiĂšres plantes leur nutrition minĂ©rale quand elles n'avaient pas encore de racines (lichens, bryophytes[15] dans les estuaires de cours d'eau, fougĂšres terrestres Ă proximitĂ© de la limite eau/terre ferme, comme les bords des eaux douces ou saumĂątres)[16].
Ces premiĂšres associations ont aussi pu permettre la constitution d'un sol rĂ©sistant mieux aux intempĂ©ries, stockant mieux l'eau, tout en amĂ©liorant la rĂ©sistance des plantes au stress hydrique et au froid[18] - [19] ou au manque d'azote (chez l'Ă©pinette par exemple[20]), leur tenue au vent et au ruissellement, ainsi peut-ĂȘtre que leur rĂ©sistance aux trop fortes intensitĂ©s lumineuses, comme c'est le cas des mycophycobiontes de certaines algues de l'estran (ces symbioses, avec des ascomycĂštes principalement, semblent ĂȘtre apparues secondairement).
Les associations mycorhiziennes (arbusculaires et ectomycorhiziennes) existent aussi dans les Ă©cosystĂšmes froids (tempĂ©rature moyenne infĂ©rieure Ă 15 °C), oĂč elles sont actives tout ou partie de l'annĂ©e (selon la tempĂ©rature du sol), impliquĂ©es dans certaines adaptations de rĂ©sistance au gel et favorisent l'acquisition des nutriments Ă basse tempĂ©rature chez les champignons mycorhiziens[21]. Elles contribuent sans doute Ă une meilleure survie du champignon dans les sols gelĂ©s en hiver[22] oĂč les microchampignons subissent ce facteur de sĂ©lection supplĂ©mentaire[23]. Ces symbioses froides profitent aussi Ă des graminĂ©es telles que l'orge (Hordeum) qui amĂ©liore ainsi son accĂšs au phosphore du sol[24]
Ces symbioses correspondent Ă un « saut macroĂ©volutif » (bond de l'Ă©volution) puisque les fonctions dâun des partenaires sâassocient aux fonctions de lâautre, avec des effets fonctionnels multipliĂ©s[25]. En effet on passe de lâĂ©tat algue et champignon Ă celui de plante mycorhizĂ©e terrestre (ce qui va Ă l'encontre du gradualisme darwinien).
Ă lâheure actuelle, 85 % des ArchĂ©goniates, ainsi que des HĂ©patiques, sont endomycorhizĂ©s par des Glomales. Cela suppose que la symbiose avec les Glomales est la plus ancienne chez les ArchĂ©goniates et quâelle aurait permis lâimpressionnante radiation de ces derniers (diversitĂ©, lignificationâŠ). 80 % des plantes vasculaires sont colonisĂ©es par des champignons endomycorhiziens alors que les ectomycorhizes sont souvent associĂ©s aux ligneux forestiers[26].
Les autres familles de GlomĂ©romycĂštes (Acaulosporaceae et Gigaspora) sont apparues plus tard vers -250/-230 millions dâannĂ©es. Elles possĂšdent des capacitĂ©s supĂ©rieures pour lâexploitation des ressources minĂ©rales des sols.
Les ectomycorhizes, quant Ă elles, seraient peut-ĂȘtre apparues au CrĂ©tacĂ© mais les plus vieux fossiles connus ne datent que de lâĂocĂšne. Elles ont permis la colonisation de sols antĂ©rieurement dĂ©favorables. Câest Ă©galement Ă cette Ă©poque que des symbioses fixatrices dâazote sont apparues[27]. La symbiose ectomycorhiziennes est apparue de nombreuses fois indĂ©pendamment dans diffĂ©rents clades des champignons (80 fois chez les GlomĂ©romycĂštes, AscomycĂštes et BasidiomycĂštes) et de Spermaphytes (12 fois chez les Gymnospermes et les Angiospermes)[28]. Cette frĂ©quence montre le succĂšs Ă©volutif de ces associations Ă partir des ancĂȘtres des champignons ectomycorhiziens qui vivaient Ă partir de matiĂšre organique morte du sol en un mode de vie saprophyte[29]. L'Ă©tude comparative des gĂ©nomes des champignons ectomycorhiziens et saprophytes actuels montre que les mycorhiziens ont perdu de nombreuses exoenzymes qui assurent la nutrition carbonĂ©e autonome des saprophytes, car ils sont nourris en sucres par la plante hĂŽte, mais ont gardĂ© les enzymes (peroxydases, laccases, phĂ©nol-oxydases fongiques telles les tyrosinases) exploitant les ressources azotĂ©es et phosphatĂ©es des rĂ©sidus organiques (lignine, composĂ©s phĂ©noliques, cellulose) nĂ©cessaires au bon fonctionnement de la plante[30].
Certaines plantes Ă symbioses mycorhiziennes plus rĂ©centes (d'un point de vue Ă©volutif), peuvent aussi contracter une association Ă mycorhizes Ă arbuscules. Il semble donc quâil y ait eu des innovations Ă©volutives dans ce type de symbiose. Ces innovations expliquent sans doute le nombre limitĂ© de plantes capables de les contracter.
L'apparition d'ectomycorhizes a été corrélée deux fois à des radiations évolutives des plantes :
- au Crétacé (apparition des pinacées et des rosidées) ;
- lors de la transition ĂocĂšne-OligocĂšne (apparition des forĂȘts « actuelles » de l'hĂ©misphĂšre Nord). Cette apparition serait une adaptation aux rĂ©gions tempĂ©rĂ©es oĂč, pendant la saison froide ou sĂšche, la minĂ©ralisation de la matiĂšre organique et l'altĂ©ration des roches sont ralenties. Or, certaines espĂšces ectomycorhiziennes ont de plus grandes capacitĂ©s Ă altĂ©rer les roches par leurs hyphes et d'autres ont un Ă©quipement enzymatique leur permettant d'extraire des rĂ©sidus azotĂ©s ou phosphatĂ©s de la matiĂšre organique du sol.
Plus rĂ©cemment encore dâautres formes dâendomycorhizes et dâectomycorhizes Ă pelotons sont apparues, notamment chez les Ericales, avec le phĂ©nomĂšne de mycohĂ©tĂ©rotrophie : leurs symbiotes fongiques ont des capacitĂ©s saprophytes encore plus fortes permettant Ă la plante de rĂ©ingĂ©rer directement le carbone organique par le biais du champignon, dans les sols oĂč lâactivitĂ© de minĂ©ralisation est trĂšs faible (landes, haute montagne, Ă©cosystĂšmes froidsâŠ) : la symbiose permet un couplage de niveaux trophiques.
Plusieurs groupes de plantes (moins de 10 %) ne sont pas mycorhizĂ©s. Ils ont perdu secondairement l'association et illustrent le phĂ©nomĂšne de nĂ©otĂ©nie. Ce sont essentiellement des plantes de milieux pionniers (absence de champignons) ou riches. Par exemple des bryophytes adaptĂ©es Ă des milieux hostiles, oĂč elles peuvent se dessĂ©cher et oĂč un champignon survivrait mal. Elles ont acquis des structures anatomiques leur permettant de rĂ©sister Ă la dessication mais, corrĂ©lativement, leur taille reste petite. Ce sont Ă©galement des angiospermes (BrassicacĂ©es, ChĂ©nopodiacĂ©es, PolygonacĂ©es, ProtĂ©acĂ©es, CaricacĂ©eâŠ) qui se sont adaptĂ©es le plus souvent Ă milieux riches, dans lesquels l'approvisionnement hydrominĂ©ral ne nĂ©cessite pas de mycorhize[7].
Importance Ă©cologique de la mycorhization
Les mycorhizes sont Ă l'origine des Ă©cosystĂšmes les plus complexes, et en particulier dans les forĂȘts et notamment les forĂȘts tropicales qui vivent et Ă©voluent souvent sur des sols ingrats et parfois peu fertiles. Leurs mycĂ©liums forment des rĂ©seaux mycĂ©liens interconnectĂ©s qui influencent le fonctionnement des Ă©cosystĂšmes (cycles biogĂ©ochimiques, composition des communautĂ©s vĂ©gĂ©tales, alimentation carbonĂ©e des plantules pendant leur dĂ©veloppement, modification de la compĂ©titionâŠ) en permettant ou augmentant des flux importants de carbone organique et de minĂ©raux (azote, phosphore, eauâŠ) via le sol (en moyenne 30 Ă 40 % des minĂ©raux captĂ©s par les marges du rĂ©seau mycĂ©lien sont rĂ©trocĂ©dĂ©s Ă la racine, cette derniĂšre apportant 4 Ă 40 % des glucides photosynthĂ©tisĂ©s au champignon[31] - [32] - [33]). Ils constituent un des Ă©lĂ©ments les plus dynamiques de la symbiose mycorhizienne et jouent un rĂŽle essentiel dans le fonctionnement et la structuration des communautĂ©s vĂ©gĂ©tales. Ces transferts sont si efficaces, qu'ils remettent en cause le concept de spĂ©ciation par compĂ©tition pour les nutriments entre les plantes d'un Ă©cosystĂšme, en particulier pour la capture des phosphates par les racines (ils permettent de se passer des fertilisants phosphatĂ©s), pour la rĂ©sistance au calcium toxique[34] (certaines plantes calcicoles tolĂšrent le calcium grĂące aux hyphes mycĂ©liens rejetant activement vers l'extĂ©rieur les ions Ca2+ ou en les immobilisant sous forme de cristaux d'oxalate de calcium qui prĂ©cipitent dans les vacuoles, les idioblastes, ou sur les parois des hyphes)[35] ou pour la rĂ©sistance Ă la sĂ©cheresse. Ils sont pourtant encore peu exploitĂ©s en horticulture, agriculture et foresterie, ou pour la dĂ©pollution de certains sols polluĂ©s.
Certains groupes de champignons sont probablement des espÚces-clés voire des « espÚces ingénieur » qui influent sur les principaux processus écologiques du sol. Ils sont considérés par les pédologues comme des éléments essentiels de la diversité des communautés, laquelle est un facteur de stabilité et d'équilibre écologique[36]. Beaucoup de groupes-clés trouvés dans les sol (bactériens et de champignons mycorhiziens notamment) peuvent se connecter aux plantes (au moins 90 % des familles de plantes terrestres sont concernées) via des associations mycorhiziennes à arbuscules et jouer des synergies essentielles pour la survie et la productivité des plantes, contribuant à former un réseau écologique essentiellement souterrain, que certains biologistes ont nommé le wood-wide web (en référence au « World wide web[36] »). C'est la chercheuse canadienne Suzanne Simard qui est la premiÚre à mettre en évidence en 1997 ce réseau avec le transfert mycorhizien du carbone entre des arbres en conditions naturelles[37].
La plupart des champignons mycorhiziens sont soupçonnĂ©es d'avoir plusieurs hĂŽtes voire une large gamme d'hĂŽtes (chaque plante Ă©tant couramment associĂ©e Ă plusieurs dizaines de champignons mycorhiziens diffĂ©rents)[31], ce qui semble se confirmer dans les milieux naturels, mais les Ă©tudes faite sur les sols arables cultivĂ©s montrent cependant que la diversitĂ© en champignons mycorhiziens y est « extrĂȘmement faible par rapport aux sols forestiers »[36].
La colonisation des systÚmes racinaires, le potentiel « mycorhizogÚne » du sol et la « dépendance mycorhizienne » des plantes sont inversement corrélés avec la teneur de la solution du sol en ions phosphates ; de plus, ce résultat n'est pas lié à une forme d'engrais phosphaté, qu'il soit organique ou minéral, puisque les plantes n'absorbent que des ions en solution. L'enrichissement de cette solution devient directement responsable du fait que la plante bien nourrie ne favorise plus le développement des mycorhizes. Dans certaines situations, les niveaux de phosphore atteints deviennent incompatibles avec l'installation des mycorhizes[38].
Les mycorhizes interagissent aussi avec diverses bactĂ©ries du sol (dont Pseudomonas) qui peuvent ĂȘtre pathogĂšnes (la mycorhize protĂšge la plante contre ses pathogĂšnes, par exemple en Ă©mettant des antibiotiques[39]), mais qui sont aussi appelĂ©es « bactĂ©ries auxiliaires Ă la mycorhization » (en anglais MHB: Mycorrhizal Helper Bacteria) tant elles jouent un rĂŽle important.
Les mycorhizes interagissent aussi avec les autres mycorhizes et les autres champignons et avec certains prédateurs et parasites aériens des plantes :
- l'attaque des plantes par des herbivores provoque une modification rapide des communautés mycorhiziennes (les espÚces demandant le moins de carbone sont favorisées) mais la nature de la population mycorhizienne modifie également (positivement ou négativement) les capacités de défense des plantes ;
- les communautés mycorhiziennes répondent (par modification des abondances spécifiques relatives) aux modifications de l'environnement suivant qu'elles soient plus ou moins favorable à l'hÎte ou au symbiote et les communautés bactériennes sont modifiées par la variation des exsudats entre racines mycorhizées et non mycorhizées ;
- la diversitĂ© des champignons mycorhiziens Ă arbuscules du sol contrĂŽle la composition des communautĂ©s vĂ©gĂ©tales par un effet direct du champignon sur la valeur sĂ©lective des individus quâils colonisent (effet bĂ©nĂ©fique, neutre, nĂ©gatif ou mĂȘme suppressif). Ce phĂ©nomĂšne est liĂ© Ă la prĂ©fĂ©rence dâhĂŽte existant pour chaque champignon. Cette prĂ©fĂ©rence rĂ©siderait dans lâadĂ©quation entre fonctions Ă©cologiques exercĂ©es par le champignon et besoins de la plante hĂŽte.
Mycorhization contrÎlée
De nombreuses expĂ©riences de mycorhization contrĂŽlĂ©e ont montrĂ© que la rĂ©gĂ©nĂ©ration naturelle ou artificielle bĂ©nĂ©ficiait de la prĂ©sence ou inoculation de champignons symbiotes adaptĂ©s aux plantes et au contexte (produits de champignons et micro-organismes efficaces contenant des cocktails de souches). Inversement la trufficulture n'a pu s'exporter en Nouvelle-ZĂ©lande qu'avec les plantes hĂŽtes mycorhizĂ©es. De mĂȘme les sapins de NoĂ«l europĂ©ens n'y ont poussĂ© qu'avec leurs symbiotes. Certains symbiotes sont dâune efficacitĂ© spectaculaire : c'est un accroissement de 60 % du volume total de Pseudotsuga menziesii qui a Ă©tĂ© permis en 10 ans sur les boisements issus de plants ectomycorhizĂ©s en pĂ©piniĂšre avec une souche Laccaria bicolor dite S238N, par rapport aux arbres non inoculĂ©s[40].
PrĂ©cautions : Le risque existe de concurrence avec des espĂšces locales, voire de pollution gĂ©nĂ©tique. Plusieurs suivis ont montrĂ© que des plants inoculĂ©s en pĂ©piniĂšres avaient en gĂ©nĂ©ral perdu ce symbiote au profit d'autres issus du sol local, mais ce pourrait ne pas toujours ĂȘtre le cas[41].
Symbiose
Contrairement à une idée répandue, la relation mycorhizienne n'est pas exclusivement symbiotique car les transferts de substances du champignon à la plante n'augmentent pas toujours la valeur sélective (qui est le critÚre de définition de la symbiose). Les bénéfices, qui varient hautement en fonction du génotype des partenaires et de l'environnement sont difficiles à évaluer, particuliÚrement pour les plantes pérennes. Elles pourraient bénéficier de la symbiose uniquement pour de courtes périodes à différents moments de leur vie. Il existe en fait un continuum de relations entre les partenaires, de la symbiose au parasitisme en passant par la saprotrophie (la nature de la relation est descriptible en fonction du rapport coût/bénéfice).
Par exemple, Tricholoma matsutake est symbiotique, parasite ou saprophyte suivant son stade de développement et les conditions du milieu ; les mycorhizes des orchidées sont parasites de ligneuses et les néottie nid d'oiseau sont parasites de leurs mycorhizes.
En fait, la mycorhization est continuellement instable en raison des conflits d'intĂ©rĂȘts entre les partenaires et de la pression de sĂ©lection qui pousse chaque partenaire Ă ĂȘtre le plus parasitique possible, ce qui explique les nombreuses interactions possibles : Ă©changes de nutriments (la plante fournit des sucres et des lipides, les mycĂ©liums fongiques fournissent de l'eau et des sels minĂ©raux qu'il puisent dans le sol, parfois jusqu'Ă plusieurs dizaines de centimĂštres de la racine[42]), des facteurs de croissance (hormones, vitamines), des allomones fournissant une protection[43]. Un parasitisme trop important peut conduire Ă la rupture de l'association. Au cours du temps, la « symbiose » serait apparue et aurait Ă©tĂ© rompue plusieurs fois : l'association est rĂ©versible. Les champignons saprophytes pourraient ainsi ĂȘtre des symbiotes ayant perdu leur hĂŽte. Ainsi, dans certaines associations mycorhiziennes, lâun des partenaires semble exploiter l'autre (soit par nature, soit en fonction des conditions). On entend ici par « exploiteur » un individu qui obtient un bĂ©nĂ©fice (augmentation de la valeur sĂ©lective) sans rĂ©ciprocitĂ©. On peut citer comme exemple les plantes mycohĂ©tĂ©rotrophes (plus de 200 espĂšces connues chez les orchidacĂ©es, les gentianacĂ©es, les burmanniacĂ©esâŠ), des plantes aux capacitĂ©s photosynthĂ©tiques nulles ou rĂ©duites qui obtiennent leur carbone de leur partenaire mycorhizien, lui-mĂȘme l'obtenant dâun partenaire chlorophyllien au-travers du rĂ©seau mycĂ©lien.
L'exploitation d'un des partenaires de la symbiose par l'autre suppose des compensations pour l'individu exploité :
- uniformité génétique : la symbiose permet de maintenir l'uniformité génétique de l'espÚce qui est parfois plus intéressante évolutivement que la variabilité (c'est le cas des mycorhizhes à vésicules et arbuscules et des éricoïdes) ;
- transmission verticale : la valeur sélective de l'exploité est liée à celle de son partenaire. C'est par exemple le cas pour les Glomales qui ont perdu toute reproduction sexuée depuis 400 millions d'années et sont dépendant de l'hÎte pour leur survie ;
- interaction de voisinage : lorsque la densité d'exploiteur est grande, l'exploité peut se réfugier sur les hÎtes les moins exploitants et diminuer la valeur sélective des hÎtes plus exigeants.
- commensalisme ;
- promiscuité : capacité à s'associer à plusieurs partenaires (cas des mycohétérotrophes).
Les mĂ©canismes de compensation pourraient ĂȘtre important dans la stabilisation de la symbiose. De maniĂšre gĂ©nĂ©rale les symbioses se caractĂ©risent par une diminution de la dĂ©rive gĂ©nĂ©tique et du taux de spĂ©ciation (Cf.effet "Roi rouge"[44]) mais ce nâest pas toujours le cas dans la mycorhization : plus l'association est exploiteuse plus elle est spĂ©cifique car l'exploitĂ© dĂ©veloppe des rĂ©sistances qui doivent ĂȘtre contournĂ©es par l'exploiteur (ThĂ©orie de la reine rouge). Dans le cas prĂ©sent, la pression sĂ©lective sur l'hĂŽte aurait conduit Ă l'apparition de la lignine et favorisĂ© la croissance des tissus vasculaires.
Enfin, la logique et de nombreux indices laissent soupçonner une origine parasitique des mycorhizes :
- prĂšs de la moitiĂ© des gĂšnes dont l'expression est modifiĂ©e par la mycorhization le sont de la mĂȘme maniĂšre lors d'une attaque de parasites fongiques (Ă titre d'exemple, lâĂ©licitation des chitinases) ;
- au cours de l'évolution, il y a eu contre-sélection des gÚnes de défense et augmentation des gÚnes de symbiose. La stimulation des défenses basales (non spécifiques) de la plante par les mycorhizes serait donc un vestige de l'ancienne relation parasitaire entre les partenaires.
- Bien d'autres exemples de symbiose ou d'interactions durables semblent avoir pour origine le parasitisme.
Types de mycorhization
On distingue deux types principaux de mycorhizes, dĂ©finis par les relations physioanatomiques entre les deux partenaires[27] : les endomycorhizes et les ectomycorhizes. Les mycorhizes Ă©ricoĂŻdes et celles associĂ©es aux orchidĂ©es sont Ă©galement Ă©tudiĂ©s pour leurs services Ă©cologiques, mais ont un intĂ©rĂȘt Ă©conomique plus limitĂ©.
Une cartographie mondiale des symbioses forestiĂšres[45] montre le succĂšs Ă©volutif des arbres ectomycorhizĂ©s. Sur les trois types de symbioses les plus courantes (endomycorhizes Ă arbuscules abondantes dans les climats tropicaux chauds et humides, ectomycorhizes dans les climats froids, et bactĂ©ries fixatrices dâazote dans les climats arides et chauds), les ectomycorhizes ne reprĂ©sentent que 2 % des espĂšces vĂ©gĂ©tales, mais constituent 60 % de tous les arbres de la planĂšte[46] - [47].
Endomycorhizes
Les endomycorhizes (ou mycorhizes internes) sont la forme la plus répandue. Ce sont des mycorhizes qui pénÚtrent à l'intérieur des racines pour mieux s'y associer. Il existe plusieurs types d'endomycorhizes :
Endomycorhizes Ă arbuscules
Les endomycorhizes Ă arbuscules ou arbusculaires (AM) sont le cas le plus rĂ©pandu. Ces champignons mycorhiziens colonisent environ 80 % des plantes vasculaires terrestres, c'est-Ă -dire plus de 400 000 espĂšces. Il existe cependant moins de 200 espĂšces de champignons endomycorhiziens. Ces champignons ne sont donc pas trĂšs spĂ©cifiques dans leurs relations de symbiose. Ătant peu spĂ©cifique, chaque espĂšce doit possĂ©der un grand potentiel d'adaptabilitĂ© et une large diversitĂ© gĂ©nĂ©tique afin de lui permettre de sâadapter aux diffĂ©rentes conditions environnementales auxquelles elle doit faire face.
Ils sont associĂ©s avec les plantes herbacĂ©es et ligneuses. Ces endomycorhizes arbusculaires, aussi appelĂ©s mycorhizes Ă vĂ©sicules et arbuscules (ou mycorhizes vĂ©siculo-arbusculaires), tirent leur nom des vĂ©sicules intercellulaires (souvent des gouttes d'huile, stockage de rĂ©serve pour le champignon) et des structures « intracellulaires » rappelant un petit arbre. S'ils traversent bien la paroi, ils ne pĂ©nĂštrent cependant pas la membrane plasmique de la cellule vĂ©gĂ©tale, se contentant de provoquer une invagination de la membrane de celle-ci. Cela a pour effet dâaccroĂźtre la surface de contact entre l'hyphe et la cellule de la plante et ainsi faciliter lâĂ©change de mĂ©tabolites entre les deux partenaires.
Les endomycorhizes arbusculaires sont formĂ©es uniquement par des champignons de la division des GlomĂ©romycĂštes ayant perdu la reproduction sexuĂ©e. Les hyphes sâĂ©tendent dans le parenchyme cortical de la racine, formant des vĂ©sicules contenant des rĂ©serves, et des structures ramifiĂ©es, les arbuscules. Ils se reproduisent donc uniquement asexuellement. Cependant les hyphes d'individus diffĂ©rents peuvent fusionner, ce qui rend possible un Ă©change gĂ©nĂ©tique et une forme de parasexualitĂ©
Ils sont aussi uniques au point de vue génétique puisque leurs spores possÚdent plusieurs noyaux génétiquement différents[48].
Endomycorhizes Ă pelotons intracellulaires
Chez les endomycorhizes Ă pelotons intracellulaires, les hyphes forment des amas dans les cellules corticales. Elles impliquent des basidiomycĂštes, en association avec les OrchidacĂ©es qui ont accru leur dĂ©pendance Ă la symbiose, en devenant des mycohĂ©tĂ©rotrophes qui exploitent leurs champignons mycorhiziens comme source de carbone[49]. Les hyphes pĂ©nĂštrent Ă travers la paroi des cellules Ă l'intĂ©rieur des cellules du cortex racinaire en repoussant la membrane plasmique. La paroi des hyphes est donc en contact avec la membrane plasmique de la cellule racinaire, sans la traverser. La surface de contact peut ĂȘtre augmentĂ©e par la formation de ramifications (ou arbuscules). Les racines ne sont pas dĂ©formĂ©es.
Endomycorhizes Ă©ricoĂŻdes
Chez les endomycorhizes Ă©ricoĂŻdes : les hyphes forment des pelotons dans des racines transitoires de faible diamĂštre. Elles impliquent des AscomycĂštes ou BasidomycĂštes (en symbiose avec les Ericales).
Ectendomycorhizes
Chez les ectendomycorhizes, appelĂ©es aussi mycorhizes ectendotrophes ou mycorhizes de type arbutoĂŻde : le champignon forme des pelotons intracellulaires comme les endomycorhizes, et un manteau autour de la racine comme les ectomycorhizes. Câest le cas chez les Pyroles qui exploitent, comme les OrchidacĂ©es, leurs champignons mycorhiziens comme source de carbone[50]. On trouve Ă©galement des ectendomycorhizes monotropoĂŻdes, chez les Ericales non chlorophylliennes. Les hyphes forment des pelotons dans les cellules superficielles de la racine.
Dans cette symbiose, le rĂ©seau dense et Ă©tendu des hyphes des champignons mycorhiziens aide la plante Ă explorer un volume accru de sol et Ă accĂ©der Ă des endroits inaccessibles pour les racines. Le champignon permet Ă la plante d'amĂ©liorer sa nutrition en apportant principalement de l'eau, du phosphore et de l'azote. Accessoirement, la colonisation des racines par des champignons mycorhiziens permet de protĂ©ger celles-ci contre les attaques dâorganismes pathogĂšnes. Plusieurs Ă©tudes ont dĂ©montrĂ© que sans association avec un champignon symbiotique, la plante poussera plus lentement (voire pas du tout, comme dans le cas du Pin noir sur sol calcaire) et sera beaucoup plus susceptible dâĂȘtre la victime dâune infection. En retour, le champignon bĂ©nĂ©ficie de la photosynthĂšse de la plante sous forme de matiĂšre organique riche en Ă©nergie (sucres) essentielle Ă sa survie. La qualitĂ© de l'humus en est amĂ©liorĂ©e, au bĂ©nĂ©fice d'autres espĂšces et du maintien ou de la constitution et amĂ©lioration du sol.
Quelques plantes de la famille des Gymnospermes comme les Podocarpaceae, les Araucariaceae et les Phyllocladaceae, sont connues pour présenter des renflements racinaires envahis par des champignons endomycorhiziens, appelées myconodules ou pseudonodules.
Ectomycorhizes
Les ectomycorhizes (ou mycorhizes externes) concernent seulement 5 % des plantes vasculaires, en majoritĂ© des arbres des forĂȘts tempĂ©rĂ©es et borĂ©ales (comme les FagacĂ©es, les PinacĂ©es ou les BĂ©tulacĂ©es) et des champignons de la division des AscomycĂštes, des BasidiomycĂštes ou des ZygomycĂštes. Ces mycorhizes ne pĂ©nĂštrent pas Ă travers des parois cellulaires Ă l'intĂ©rieur des cellules de la plante, mais entourent simplement les racines, formant un manteau de mycĂ©lium et un rĂ©seau entre les parois des cellules de la racine.
Le champignon sâassocie dâabord aux racines fines Ă croissance dĂ©terminĂ©e, dĂ©pourvues de poils absorbants. Puis, il enveloppe la racine dâun manteau dâhyphes, le manchon mycorhizien. D'autres hyphes croissent entre les cellules dans la partie externe du parenchyme cortical, formant ainsi l'interface symbiotique ou « rĂ©seau de Hartig ». La symbiose modifie la physionomie de la racine mycorhizĂ©e : elle se renfle, cesse de croĂźtre et peut se ramifier de façon abondante. La coiffe et le mĂ©ristĂšme apical sont alors rĂ©duits.
Dialogue plante-hĂŽte champignons
Des centaines de champignons diffĂ©rents peuvent ĂȘtre associĂ©s Ă une mĂȘme espĂšce. Le hĂȘtre, par exemple, dĂ©tient un « record » avec plus de 200 associations mychoriziennes.
Inducteurs de la plante-hĂŽte
La croissance du mycélium fongique en direction des racines de la plante-hÎte est déclenchée par la perception d'un signal émis en permanence par les racines sous la forme de molécules spécifiques à la plante comme des strigolactones, et surtout des flavonoïdes[51].
Voie de signalisation Myc
Les signaux Ă©mis par le champignon qui lui permettent d'ĂȘtre reconnus par la plante sont mal connus. Par analogie avec les facteurs Nod, on appelle ces facteurs « facteurs Myc ». Des molĂ©cules de type facteur Nod produites par les champignons arbusculaires et ayant un effet sur la plante hĂŽte ont rĂ©cemment Ă©tĂ© mises en Ă©vidence[52], mais leur rĂŽle dans la signalisation symbiotique reste Ă dĂ©terminer.
La voie de signalisation activĂ©e par les facteurs myc prĂ©sente des Ă©tapes communes avec la voie Nod prĂ©sente chez les lĂ©gumineuses nodulĂ©es par des rhizobia[53] et chez les plantes actinorhiziennes[54]. Les rĂ©cepteurs des facteurs Myc ne sont pas connus, mais les protĂ©ines intervenant aprĂšs telles que SYMRK, CASTOR, POLLUX, NUP, CYCLOPS sont nĂ©cessaires aux symbioses rhizobiennes et mycorhiziennes arbusculaires. Comme pour la symbiose rhizobienne, le contact avec un champignon arbusculaire induit des oscillations calciques. Les endomycorhizes arbusculaires Ă©tant apparues avant les endosymbioses fixatrices dâazote, les chercheurs Ă©mettent lâhypothĂšse que la voie de transduction du signal mycorhizien a Ă©tĂ© recrutĂ©e par les bactĂ©ries fixatrices dâazote.
Applications
Un cortÚge mycorhizien optimal agirait comme un « engrais » sans ses inconvénients, et gratuitement, en se passant de pesticides, fongicides et amendements. AprÚs de premiers essais en Australie dÚs les années 1920, des entreprises ont développé des souches d'inoculation adaptées à plusieurs espÚces commerciales (inoculums monosouches ou plurisouches), mais il faudrait qu'elles soient aussi adaptées au contexte du lieu d'implantation. Plusieurs chercheurs estiment que les souches de champignons symbiotes génétiquement les mieux adaptées au terrain, sont celles qui sont indigÚnes[55]. Des sociétés privées dans le monde entier ont ainsi développé la production et la vente d'inoculants mycorhiziens destinés à un usage agricole (biofertilisant, biostimulant) mais aussi écologique (revégétalisation des sols érodés, phytoremédiation)[56].
Prise en compte dans la gestion des forĂȘts et des cultures
En agriculture lâutilisation de champignons mycorhiziens Ă©viterait bien des problĂšmes de dĂ©naturation des sols biologiques. En effet, lâajout de pesticides et notamment de fongicides peut avoir des effets nĂ©fastes sur la qualitĂ© des sols. Les champignons ont des rĂŽles importants dans le maintien dâun sol fertile. Lâajout de composĂ©s chimiques hautement phosphorĂ©s induirait un appauvrissement en quantitĂ© et qualitĂ© de champignons endomycorhiziens, rĂ©duisant lâapport en nutriment aux plantes cultivĂ©es. De plus, une trop grande quantitĂ© de phosphore a un impact nĂ©faste sur les cours dâeau (eutrophisation)[57]. Il est primordial alors de rĂ©duire la quantitĂ© de produits chimiques nĂ©fastes et dâopter plutĂŽt sur lâinoculation de champignons naturels qui auraient les mĂȘmes avantages de croissance rapide, sans les inconvĂ©nients sur lâenvironnement.
Une Ă©tude sur le jujubier a dĂ©montrĂ© que la mycorhization contrĂŽlĂ©e Ă©tait bĂ©nĂ©fique Ă sa croissance et Ă sa nutrition phosphatĂ©e. Effectivement, lâarbre fruitier absorbait avec beaucoup plus de facilitĂ© le phosphore naturel ajoutĂ© dans un sol pauvre. Il en Ă©tait mĂȘme dĂ©pendant pour une croissance normale[58]. Il ne suffit donc pas, en agriculture, de simplement rajouter du phosphore en trĂšs grande quantitĂ© pour que la plante pousse plus rapidement, il s'agit Ă©galement de prendre en compte le rĂ©seau mycorhizien[59]. Celle-ci doit dâabord et avant tout ĂȘtre capable dâabsorber efficacement. Une surdose de nutriments nây changerait rien et cela ne provoquerait que le lessivage du phosphore et la pollution des eaux de surface.
Lâaction des mycorhizes ne sâarrĂȘte pas Ă une meilleure nutrition : elles permettent aussi Ă la plante de mieux se protĂ©ger des facteurs biotiques et abiotiques nuisibles. Bien sĂ»r, une meilleure nutrition implique une meilleure santĂ© aux vĂ©gĂ©taux qui peuvent alors mieux tolĂ©rer les stress environnementaux, notamment les agents pathogĂšnes. Les mycorhizes peuvent libĂ©rer dans la rhizosphĂšre des antibiotiques, provoquant l'Ă©limination de tous les microorganismes, pathogĂšnes ou non, qui pourraient venir dĂ©tourner Ă leur profit une partie des Ă©changes[60]. De plus, la symbiose mycorhizienne induit aussi lâĂ©tablissement de mĂ©canismes de dĂ©fense de la plante elle-mĂȘme (prĂ©munition et stimulation immunitaire). Câest une protection indirecte qui se situe au niveau cellulaire. Chez les plants ectomycorhizĂ©s, les cellules du rhizoderme synthĂ©tisent des tannins stockĂ©s dans des vacuoles qui constituent une prĂ©munition face Ă d'autres attaques de microbes et autres agents pathogĂšnes. La plante produit aussi davantage de lignine dans les parois cellulaires de lâendoderme et des tissus vasculaires. Elle peut Ă©galement induire ou supprimer divers dĂ©fenses liĂ©es aux phytoalexines, peroxydases, chitinases et plusieurs autres. En bref, le champignon entraĂźne des changements considĂ©rables dans les mĂ©canismes de dĂ©fense chez la plante contre divers parasites, et ce avant les infections[61].
Parfois, lâassociation avec un champignon provoque un remodelage du systĂšme racinaire. Par exemple, chez le fraisier, la mycorhization provoque une protection accrue contre la pourriture racinaire causĂ©e par Phytophthora fragariae. La ramification intense des racines induite par le champignon mycorhizien est accompagnĂ©e dâexsudats racinaires, et cela aurait comme effet de modifier la microflore et les interactions directes avec les parasites[62].
Concernant les mycĂštes parasitaires, une plante associĂ©e Ă un mycorhize est aussi mieux protĂ©gĂ©e. Les hyphes du champignon symbiotique colonisent les racines de la plante et « bloquent » des sites dâaccĂšs au mycĂšte parasite. Ils entrent aussi en compĂ©tition avec les nutriments disponibles. Un mycorhize reçoit lui aussi des avantages Ă se lier Ă une plante : il reçoit des composĂ©s carbonĂ©s en Ă©change de minĂ©raux. Le carbone Ă©tant trĂšs convoitĂ©, un mycorhize est plus avantagĂ© quâun champignon parasitaire libre dans le sol. De plus, les mycorhizes peuvent reprĂ©senter jusquâĂ 80 % de la masse microbienne du sol[63]. Ils influencent alors grandement les propriĂ©tĂ©s physiques et chimiques de lâenvironnement et peuvent donc contrĂŽler plusieurs interactions microbiennes du sol. Parfois câest en accord avec la plante mycorhizĂ©e en apportant protection et croissance, mais parfois les effets sont plutĂŽt nĂ©gatifs[64].
Les mycorhizes peuvent donc aider Ă protĂ©ger la plante aux stress abiotiques (par exemple la sĂ©cheresse) et biotiques de plusieurs façons : une meilleure nutrition et santĂ©, une transformation morphologique des racines, lâinduction ou la suppression de mĂ©canismes de dĂ©fense et en agissant sur le parasite lui-mĂȘme, soit par compĂ©tition pour les ressources et les sites dâinfection, soit par la modification de la microflore et de lâaugmentation du taux de matiĂšre organique[61].
Il faut noter toutefois que ces interactions sont Ă©tudiĂ©es en serre et en milieux contrĂŽlĂ©s et quâelles ne reflĂštent donc pas entiĂšrement toute la complexitĂ© dâun milieu naturel variable dans le temps et en composition[61].
Avec tous les avantages Ă©noncĂ©s des mycorhizes, il est donc juste de dire que leur bonne utilisation Ă©viterait bien des soucis environnementaux, car elles agiraient comme engrais et agents protecteurs. Lâutilisation dâengrais chimiques, de fongicides et de pesticides ne seraient alors plus autant nĂ©cessaire. En effet, les engrais diminuent le taux de mycorhization, ce qui a pour effet une dĂ©pendance accrue des plantes Ă ces intrants. De mĂȘme, l'emploi de pesticides diminue le pouvoir inoculant du sol, d'oĂč une diminution de l'effet protecteur des mycorhizes et une demande accrue des plantes en pesticides. L'ajout de tels intrants installe une forme de cercle vicieux[65].
L'activité sylvicole et agricole peut perturber ou modifier (négativement ou positivement) la microflore fongique et sa capacité à mycorhizer ;
- Le retournement du sol (labour), le tassement par les engins endommagent la communauté ectomycorhizienne
- Les programmes de sélection et d'amélioration génétique des plantes adaptés à des systÚmes de cultures à haut niveau d'intrants (engrais azotés, phosphatés, potassiques), minimisent ou annulent la formation des mycorhizes. Il est possible que ce processus soit renforcé par les sélections variétales qui portent sur la résistance aux maladies fongiques[66] - [67].
- La fertilisation azotée (qui se fait de plus en plus en sylviculture aussi) diminue le nombre de carpophores et altÚre la composition en espÚces (mesuré sur Picea abies par Peter et al.[68], en réduisant le nombre de mycorhizes[69], et en changeant les types mycorhiziens (Brandbrud, 1995 ; Karen, 1997).
- Les coupes rases endommagent la communautĂ© mycorhizienne[70]. Jones estime que le changement de composition des communautĂ©s ectomycorhiziennes est plus en cause qu'une diminution du taux de colonisation des racines. Le tassement du sol pourrait ĂȘtre en jeu aussi, de mĂȘme Ă long terme que l'exportation de presque toute la biomasse ligneuse.
- Les coupes forestiĂšres dâĂ©claircie[71] - [72], ainsi que lâirrigation[73] augmentent le nombre de carpophores produits avec des effets encore mal compris sur la composition et biodiversitĂ© de la communautĂ© fongique.
- Bien entendu l'utilisation de fongicide affecte cette communauté. La présence de fongicides dans les eaux météoriques (pluies, brumes, rosées, neige, etc.) est avérée, mais ses impacts sur les champignons restent mal compris.
Les changements biochimiques et biologiques, ainsi que microclimatique induit par les grandes coupes rases, (ou mĂȘme par les moissons dans le cas de l'agriculture) pourraient avoir des impacts sous-estimĂ©s, liĂ©s aux impacts directs sur le sol, sur l'eau, mais aussi Ă la perte dâinoculum fongique (mĂȘme si les racines restent dans le sol, les « gros-bois » et gros « bois mort » deviennent rares ou absents, et les rĂ©manents sont souvent rassemblĂ©s).
Recherche
Le terme de mycorhize (du grec myco, « champignon » et rhiza, « racine ») est introduit en 1885 par le botaniste Albert Bernhard Frank[74]. Engagé par le roi de Prusse Guillaume Ier pour développer des méthodes de production de truffes en étudiant leur mode de propagation, A.B.Frank observe que ces champignons s'associent aux radicelles des arbres et propose que cette association est une relation symbiotique et non parasitique. La théorie d'écologie évolutive de Frank, contredisant la croyance que les truffes et les autres champignons entraßnent maladies et pourritures végétales, est vivement contestée par ses collÚgues[75]. Cette théorie revient sur le devant de la scÚne avec les travaux[76] de Jack Harley[77] - [78] considéré comme le « pape des mycorhizes » pour ses études depuis les années 1950[79], Barbara Mosse en 1962[80], J.M. Phillips et D.S. Hayman en 1970[81], M. Gardes et T.D. Bruns en 1993[82].
La recherche est en plein développement au début du XXIe siÚcle grùce aux moyens nouveaux de la biologie moléculaire et de la génétique, au point de donner le nom à une discipline scientifique, la mycorhizologie, étudiée par les mycorhizologues[83]. De 2008 à 2016, plus de 10 000 nouvelles contributions scientifiques ont concerné les mycorhizes[38].
Notes et références
- Légende : A=cortex racinaire, B=épiderme racinaire, C=arbuscle, D=vésicule, E=hyphe, F=poil absorbant, G=noyaux cellulaires.
- Dits aussi hyphes extramatriciels.
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- Les enseignements s'appuient souvent sur des observations de plantes en germination, ce qui masque le fait que la plupart des poils absorbants des plantes adultes ne sont pas fonctionnels. Cette vision a longtemps prévalu chez les chercheurs en biologie végétale qui ont utilisé comme modÚle expérimental des espÚces exceptionnellement non mycorhiziennes, comme l'arabette (Arabidopsis thaliana, de la famille du chou).
- Comme un hyphe de champignon a un rayon dix fois plus petit qu'un poil racinaire, son rapport surface/volume est cent fois plus grand, d'oĂč le rapport 1 000/10. « Dans une prairie, chaque mĂštre de racine correspond Ă 10 kilomĂštres d'hyphes. Chaque cm3 de sol contient entre 100 et 1 000 m d'hyphes, dont la surface est, par procuration, le contact indirect entre la plante et le sol. Sous 1 m2 de sol, la surface des hyphes reprĂ©sente environ 100 m2 ». Cf Marc-AndrĂ© Selosse, Jamais seul. Ces microbes qui construisent les plantes, les animaux et les civilisations, Actes Sud Nature, , p. 58.
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Voir aussi
Bibliographie
- Jean-AndrĂ© Fortin, Christian Plenchette, Yves PichĂ©, Les mycorhizes - La nouvelle rĂ©volution verte Ăditions QuĂŠ et Multimondes, QuĂ©bec, 2008, 148 p.
- Victoria GOMEZ ROLDAN, "RÎle des strigolactones dans la symbiose mycorhizienne à arbuscule.", PhD, Université Paul-Sabatier, Toulouse, France, 2009.
- Garbaye J (2013) Une association entre les plantes et les champignons, Ăditions QUAE, publiĂ© 28/10/2013, (ISBN 9782759219636), 280 pages.
Articles connexes
- Bactéries auxiliaires de la mycorhization (en)
- Champignon
- Lichen
- Mycélium
- Anastomose racinaire
- Liste de genres de plantes mycohétérotrophes
- RĂ©seau mycorhizien
- Symbiose
- Symbiose entre champignon et racines d'une plante (fabacée) pour l'absorption de l'azote
- Interactions durables
- Glomaline
- Mycorhizes et changement climatique
- Nodosité
- Rhizomorphe
- Actinorhize
Liens externes
- [vidéo] Sur l'importance des mycorhizes
- Site dédié aux Interactions Arbres-Microorganismes (en anglais), INRA de Nancy
- International Mycorrhiza Society
- Marc-AndrĂ© Selosse, recherches sur lâinteraction mycorhizienne (UniversitĂ© de Montpellier II)
- Silvio Gianinazzi et Janie Bouvet, « Les mycorhizes : Une union harmonieuse pour la production vĂ©gĂ©tale », jardins de France, no 622,â (lire en ligne).