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Génétique des populations de champignons ectomycorhiziens
Diversité biologique et fonctionnelle des champignons ectomycorhiziens
Une mycorhize (du grec µύκης, champignon ; et ρίζα, racine) est l’association, souvent mutualiste, du mycélium (Encadré 2) d’un champignon aux racines d’une plante. Cette symbiose est primordiale pour la nutrition de la plupart des végétaux actuels, et Smith et Read (2009) considèrent que « les mycorhizes, et non les racines, sont les organes principaux d’assimilation de nutriments par les plantes terrestres ». Cette association existerait depuis plus de 400 millions d’années (Redecker et al. 2000), et aurait rendu possible l’occupation des terres par les végétaux vasculaires : ils ne possédaient pas initialement de vraies racines, mais auraient été colonisés par les hyphes de champignons y formant des vésicules et arbuscules (semblables aux mycorhizes arbusculaires modernes). Cette colonisation aurait rendu accessibles aux végétaux des nutriments du sol indisponibles aux individus non symbiotiques (Phipps et Taylor 1996 ; Selosse et Le Tacon 1998).
Les champignons mycorhiziens sont des membres spécialisés de la vaste communauté des microorganismes de la rhizosphère (la niche écologique formée par le sol au voisinage de la surface racinaire). Leur association à une plante est plus ou moins obligatoire, et la plupart des espèces mycorhiziennes sont totalement dépendantes de leur hôte pour leur nutrition carbonée. En revanche, ils sont capables de mobiliser dans le sol l’azote, le phosphate et d’autres nutriments, parfois à partir de réserves organiques, dont ils transmettent une partie aux racines de leur hôte (Smith et Read 2009). Les échanges nutritifs entre la plante et son partenaire fongique sont favorisés par la structure de la mycorhize, impliquant la pénétration des tissus racinaires par les hyphes fongiques, et la mise en place de structures de contact étroit entre le mycélium et la racine.
Il existe divers types d’associations mycorhiziennes, selon les caractéristiques anatomiques de la mycorhize (Figure 2) :
(i) les endomycorhizes vésiculo-arbusculaires : des hyphes de Gloméromycètes forment des arbuscules ou des vésicules { l’intérieur des cellules racinaires d’Hépatiques, Ptéridophytes, Angiospermes ou Gymnospermes
(ii) les endomycorhizes d’orchidées : des Basidiomycètes s’associent à des orchidées dès la germination des graines et colonisent l’intérieur des cellules racinaires par des structures en pelotons
(iii) les mycorhizes éricoïdes : des Ascomycètes formant des pelotons dans les cellules racinaires d’Éricales ou d’Hépatiques
(iv) les ectendomycorhizes et les mycorhizes arbutoïdes sont formées par des Asco- ou Basidiomycètes, respectivement avec des plantes Gymnospermes et Angiospermes ou des Éricales ; leur anatomie cumule des traits d’endomycorhizes (colonisation intracellulaire de la racine) et d’ectomycorhizes (présence d’un manteau et d’un réseau de Hartig plus ou moins développés)
et enfin (v) les ectomycorhizes, qui associent des Basidiomycètes ou des Ascomycètes (rarement des Gloméromycètes) avec des plantes Gymnospermes ou des Angiospermes.
Les mycorhizes de type (iii) à (v), impliquant les mêmes espèces fongiques, sont de plus en plus souvent considérées comme des variantes d’un même type.
Une ectomycorhize est composée de quatre couches de cellules, qui créent une continuité entre la rhizosphère et l’intérieur de la racine de l’hôte (Figure 2) :
un mycélium extra-racinaire, connectant le sol et les carpophores du champignon à la racine fine un manteau de tissus fongiques enveloppant la racine fine
le réseau de Hartig, un réseau intra-racinaire d’hyphes mis en place entre les cellules épidermiques et corticales de la racine fine : c’est le lieu des échanges trophiques entre les partenaires
le cortex central, purement racinaire.
Brève description de la biologie de l’espèce
Les laccaires (Laccaria spp.) sont des champignons Basidiomycètes, de la famille des Tricholomatacées (ordre des Agaricales). C’est un genre cosmopolite, présent sur tous les continents excepté l’Antarctique, et dont certaines espèces sont très communes. La plupart des espèces de Laccaria s’associent en ectomycorhizes { de nombreuses espèces d’arbres, Gymnospermes ou Angiospermes.
Greg Mueller, du Field Museum de Chicago, a consacré de nombreux travaux à la taxonomie des différentes espèces de Laccaria. Il souligne une caractéristique du genre : sa relative simplicité morphologique (Figure 5) couplée à une forte plasticité phénotypique, rendant certains taxons difficiles à identifier, surtout ceux présentant une large aire de répartition géographique (Mueller 1992). Cette rareté de caractères morphologiques fiables a largement compliqué les tentatives de classification du genre ; le nombre d’espèces de Laccaria reconnues varie d’un auteur { l’autre (18 selon Singer 1986, 43 selon McNabb 1972 !), et la définition de leur aire géographique reste également peu claire (www.fieldmuseum.org).
Le cycle biologique de Laccaria spp. suit celui général, assez simple, des Basidiomycètes ectomycorhiziens, alternant haplophase (courte) et diplophase (longue ; Chapitre I). Les basidiospores haploïdes germent et produisent un mycélium monocaryotique, autoincompatible par la présence de deux facteurs d’incompatibilité sexuelle complexes, présentant jusqu’{ 45 allèles (Encadré 2 ; Kropp et Mueller 1999 ; Niculita-Hirzel et al. 2008). La fusion de deux mycéliums compatibles forme un mycélium dicaryotique, souterrain. Cet appareil végétatif peut croître indéfiniment dans le sol, se fractionner et refusionner de nombreuses fois. Dans des conditions environnementales favorables, le mycélium engendre un carpophore diploïde épigé, abritant les basides dans lesquelles sont produites les basidiospores haploïdes par division méiotique (Encadré 2). À maturité du carpophore, les basidiospores tombent en « pluie de spores », ou sont dispersées par des mycophages ou par le vent. La croissance indéfinie du mycélium permet sa survie au-delà de la fructification, et la cohabitation de plusieurs générations.
La symbiose ectomycorhizienne est généralement produite par le mycélium dicaryotique, colonisant les racines fines de l’hôte (Figure 6). La morphologie de la mycorhize évolue au cours du temps, avec les vieillissements des racines et des structures fongiques, et la mycorhize est renouvelée de façon saisonnière { partir de l’inoculum de mycélium persistant dans le sol ou sur les racines plus anciennes. La longévité de la mycorhize est de quelques dizaines de jours (Smith et Read 2009), alors que la durée de vie des individus, potentiellement de plusieurs années, reste méconnue.
Les mycorhizes de Laccaria sp. sont abondantes à différents stades de la succession forestière, et leur écologie permet de signer les étapes du cycle sylvigénétique. En effet, certaines espèces sont considérées comme pionnières, car leurs carpophores sont souvent trouvés sur des sites perturbés et dans des forêts jeunes, mais pas ou peu dans des forêts matures. Laccaria bicolor est par exemple considéré comme une espèce ectomycorhizienne pionnière, liée à l’établissement des premiers stades forestiers (de la Bastide et al. 1994 ; Baar et al. 1994 ; Selosse et al. 1998, 1999). Laccaria cf. montana est l’une des rares (quatre) espèces fongiques présentes sur la zone de retrait du Glacier Lyman (Washington, États-Unis) libérée depuis moins de 40 ans (Jumpponen et al. 2002) ; L. proxima, L. ohiensis sont considérés également comme des espèces pionnières (Mueller 1992 ; Salusso et Morana 1995). Mais certaines espèces du genre Laccaria sont considérées comme « multi-stades » (Durall et al. 1999), se rencontrant à différents âges de la forêt. L. amethystina se rencontre dans des forêts de divers degrés de maturité : au Japon, elle fait partie des espèces pionnières, participant à la recolonisation des pentes du Mont Fuji en s’associant notamment { Salix reinii (Nara et al. 2003) ; l’espèce présente aussi une stratégie de colonisation rudérale en forêts plus matures (Gherbi et al. 1999 ; Fiore-Donno et Martin 2001) ; mais elle est associée { des arbres d’âge très variables en forêts tempérées (de 15 à 200 ans, Gherbi et al. 1999 ; Fiore-Donno et Martin 2001; Roy et al. 2008 ; Vincenot et al. en préparation), suggérant une capacité d’adaptation { la maturité de ses hôtes, et à la compétition avec les autres nombreuses espèces des communautés ectomycorhiziennes de stade tardif. L. laccata, L. fraterna, L. montana, L. nobilis sont d’autres exemples d’espèces multi-stades du genre (Mueller 1992).
Au-delà de leur importance écologique, la fréquence et la relative simplicité d’identification de certains Laccaria (L. laccata et L. amethystina sont communs en forêts tempérées) et leur large aire de répartition (transcontinentale pour L. bicolor, L. amethystina, L. fraterna, L. laccata, L. tortilis…) font de ce genre un bon modèle de laboratoire, mais aussi de génétique des populations en forêt, parfois artificielles pour L. bicolor, naturelles pour L. amethystina.
Le genre Laccaria en laboratoire, un modèle de biologie ectomycorhizienne
Première période : Laccaria comme modèle biologique ectomycorhizien
Au-delà des travaux mycologiques de taxonomie des espèces de Laccaria, certaines espèces de Laccaria ont fait l’objet de nombreuses études en laboratoire et en milieux naturels, aboutissant à la description fine de leur biologie. Ce genre a été utilisé comme modèle dans divers domaines de la biologie fongique et des mycorhizes associées, tels que :
la cytologie fongique (Laccaria sp., Mueller et Ammiratti 1993, Mueller et al. 1993)
la germination des spores (L. laccata, Fries 1977, 1983) et la description des systèmes d’incompatibilité somatique et de types sexuels fongiques (L. laccata, Fries 1983 ; Laccaria sp., Fries et Mueller 1984 ; L. bicolor, Kropp et Fortin 1988, L. laccata, Doudrick et Anderson 1989)
les méthodes de culture in vitro (Davis et Jong 1976 ; Fries et Mueller 1984 ; Kropp et Fortin 1986 ; Munzenbürger et al. 1992)
la structure anatomique de la mycorhize et du réseau de Hartig et leur formation
(L. bicolor sur Betula alleghaniensis et Pinus resinosa, Massicotte et al. 1989 ;
L. amethystea sur Betula sp., Cuvelier 1991 ; L. amethystina, Raidl et Agerer 1992 ;
L. laccata sur Pinus patula, Mohan et al. 1993 ; L. bicolor sur racines de Pseudotsuga menziesii, Lumley et al. 1995).
Ces connaissances fondamentales sur la biologie des laccaires en laboratoire sont venues compléter la compréhension de l’écologie et de la reproduction du genre en milieu naturel. La possibilité de culture de certaines espèces, notamment L. bicolor et L. laccaria, permet de les manipuler en laboratoire et de propager des souches d’intérêt. Cette maîtrise à la fois en forêt et au laboratoire a fait de Laccaria un genre privilégié pour des études ultérieures, servant de modèle fongique ectomycorhizien pour de nouvelles approches appliquées, moléculaires ou fonctionnelles.
Deuxième période : 1980 – 1990, les mycorhizations contrôlées
La maîtrise de la culture de souches et de manipulations en laboratoire de certaines espèces ont permis à différents scientifiques de proposer une application de ces connaissances, et de développer avec succès les inoculations contrôlées de L. bicolor dans des démarches de reforestation.
L’importance des champignons ectomycorhiziens dans les écosystèmes forestiers, et notamment dans la nutrition des arbres est reconnue depuis plus d’un siècle (Frank 1885), et la maîtrise des assemblages mycorhiziens, influant sur la croissance des arbres, permettrait de maîtriser la production forestière. À défaut de pouvoir réellement maîtriser les communautés mycorhiziennes, la mycorhization de plants de pépinière avant leur plantation dans des forêts renouvelées ou de nouvelles plantations par des souches ectomycorhiziennes sélectionnées accroît leur potentiel de développement. En effet, la mycorhization contrôlée accroît la vitesse de croissance des plants en favorisant leur nutrition dès la pépinière. L’objectif des mycorhizations est justement ce gain précoce de croissance, permettant une transplantation plus rapide des plants de la pépinière au milieu à reboiser. Cette croissance rapide des plants favorise leur compétitivité dans leur nouveau milieu, et facilite aussi les itinéraires techniques forestiers, notamment la lutte contre les adventices (Le Tacon et al. 1998). Les souches ectomycorhiziennes inoculées protègent aussi les jeunes plants des stress environnementaux et des attaques de pathogènes des racines dès la pépinière (Gagnon et al. 1991 ; Garbaye et al. 1988). D’autre part, l’inoculation de souches ectomycorhiziennes sélectionnées assure la colonisation rapide des plants par un partenaire ectomycorhizien persistant lors de sa transplantation en forêt ; elle pourrait être particulièrement utile à la reforestation de milieux où les sols sont appauvris en inoculum ectomycorhizien (Diaz et Roldan 2000 ; Teste et al. 2004).
Suite au développement des techniques d’inoculation (e.g. Marx et al. 1982 ; Duponnois et Garbaye 1991 ; Dighton et al. 1993 ; Frey-Klett et al. 1999), des stratégies et des parcours techniques d’inoculation en pépinière ont rapidement été proposées pour maximiser l’efficacité des mycorhizations contrôlées. Leur succès dépend en effet de nombreux facteurs, notamment le mode d’inoculation (en pellets, en solution) et la survie de l’inoculum lors de la transplantation (Grove et Le Tacon 1993 ; Brundrett et al. 1996 ; Généré et al. 2004). Pour pouvoir réaliser ces mycorhizations, il faut sélectionner des souches fongiques qui améliorent effectivement les performances des arbres inoculés, et qui puissent s’adapter { des conditions environnementales variables entre pépinières, ou entre la pépinière et la forêt (Kropp et Langlois 1990 ; Grove et Le Tacon 1993). Pisolithus tinctorius est la première espèce ectomycorhizienne utilisée avec succès, pour sa compétitivité et son adaptabilité aux stress environnementaux (Marx et Bryan 1969 ; Molina 1979 ; Marx et al. 1982). Mais P. tinctorius n’est pas adapté { toutes les situations, et d’autres champignons ectomycorhiziens ont été sélectionnés –avec des succès variables– pour des inoculations contrôlées, telles que Rhizopogon sp., Hebeloma sp., Suillus sp. ou Laccaria sp. (Smith et Read 2009).
Chez Laccaria sp., diverses souches ont été testées pour leur potentiel de mycorhization de plantes de pépinières (Stack et al. 1975 ; Molina 1982 ; Molina et Chamard 1983 ; Gagnon et al. 1991, 1995 ; Thomson et al. 1994). Certaines ont été sélectionnées pour être inoculées commercialement, comme la souche nord-américaine L. bicolor S238N, aujourd’hui la plus utilisée en inoculation et comme modèle en laboratoire. L’inoculation cette souche au sapin de Douglas (P. menziesii ; Figure 7) peut accroître significativement la hauteur, et dans des conditions environnementales favorables, doubler le volume de bois de l’arbre 6 ans après la transplantation (Le Tacon et al. 1988).
L’application des mycorhizations contrôlées de Laccaria spp. a créé le besoin de suivre les souches introduites et les populations naturelles de ces espèces, afin de (i) évaluer la persistance des souches introduites, (ii) caractériser la sensibilité des populations indigènes à l’introduction de souches sélectionnées et (iii) quantifier l’impact des souches introduites sur l’écosystème naturel ou en voie de reforestation. Pour mener ces suivis, des outils moléculaires ont été mis au point (Gardes et al. 1991 ; Henrion et al. 1992, 1994 ; Tommerup et al. 1995 ; Selosse et al. 1998, 1999 ; Weber et al. 2002 ; Jany et al. 2006), permettant d’accéder au génotype des individus et de repérer les souches introduites.
Les études successives, { différents termes après l’implantation en forêts de plants mycorhizés, montrent la capacité de persistance de souches de L. bicolor inoculées, après transplantation : au moins 2,5 ans sur des plants de Picea mariana (Buschena et al. 1992), 12 ans sur P. menziesii (Henrion et al. 1994 ; Selosse et al. 1999 ; Di Battista et al. 2002), 3 ans sur Picea abies (de la Bastide et al. 1994).
Des souches de L. bicolor S238N inoculées en pépinière ont été suivies depuis la pépinière jusqu’en forêt après leur transplantation, afin d’évaluer leur persistance sur les racines des arbres inoculés et leur dissémination dans leur milieu d’introduction. Henrion et al. (1994) ont montré, en génotypant des mycorhizes et des carpophores { l’aide du locus IGS de l’ARNr (Encadré 2), que les arbres mycorhizés artificiellement par S238N restaient exclusivement colonisés par cette souche ou par ses descendants sexués pendant 1,5 ans après l’inoculation, alors que des arbres non inoculés étaient colonisés par des souches indigènes de différentes espèces. Cette étude montre la capacité compétitive de la souche exotique S238N (elle est nord-américaine) par rapport aux souches indigènes. L’étude en forêt de la persistance de S238N inoculé à des plants de P. menziesii (par suivi de fructifications, Selosse et al. 1998) confirme ces observations, à plus long terme. Cette souche de L. bicolor inoculée peut persister au moins 10 ans dans le sol forestier, associée aux racines de ses hôtes, sans s’hybrider avec des souches indigènes. La distribution spatiale des génets de S238N montre leur persistance sans extension depuis les racines inoculées, vraisemblablement par compétition avec les souches indigènes. Ces études mettent en évidence la stabilité de la souche L. bicolor S238N, qui est compétitive et persistante, mais ne semble pas envahir son milieu forestier d’introduction. L. bicolor est actuellement effectivement utilisé pour des inoculations : des plants mycorhizés d’essences variées (Fagus sylvatica, Larix decidua, Pinus spp., P. menziesii, Quercus spp. par exemple) sont commercialisés par diverses pépinières.
Troisième période : étude in vitro des mécanismes et de l’interaction ectomycorhizienne
Parallèlement { l’application des recherches sur L. bicolor aux mycorhizations contrôlées en foresterie, le genre Laccaria a été utilisé comme modèle pour étudier les mécanismes physiologiques et génétiques de la mise en place de la symbiose ectomycorhizienne.
Les microorganismes du sol et de la rhizosphère en particulier peuvent influencer la mise en place et le développement des mycorhizes (Fitter et Garbaye 1994). L’association entre P. menziesii et L. laccata a permis de documenter le rôle des bactéries présentes dans la rhizosphère, qui peuvent favoriser l’établissement puis le développement de la mycorhize entre le partenaire fongique et sa plante hôte (Garbaye et al. 1990 ; Duponnois et Garbaye 1991 ; Garbaye 1994). Ces bactéries favorables (« bactéries auxiliaires de mycorhization ») et leurs interactions avec Laccaria ont ensuite été plus précisément étudiées pour leur potentielle application couplée aux mycorhizations artificielles (Duponnois et al. 1993 ; Frey-Klett et al. 1997 ; Brulé et al. 2001). Au-delà des objectifs de recherche appliquée, les relations entre Laccaria sp. et les composantes de la rhizosphère ont été étudiées dans un contexte d’études écologiques d’interactions tripartites, débouchant sur la sélection de biovars de Pseudomonas fluorescens dans la rhizosphère de P. menziesii par L. bicolor (Frey et al. 1997). Ces travaux, applicables aux démarches de mycorhization contrôlée, ont initié l’étude des bactéries auxiliaires chez d’autres modèles ectomycorhiziens (Pisolithus sp., Founoune et al. 2002 ; Tuber borchii, Sbrana et al. 2002 ; Suillus granulatus, Rincon et al. 2005). Parallèlement, de nombreuses études se sont consacrées à la nutrition des champignons ectomycorhiziens en laboratoire, associés ou non à leur plante-hôte, en utilisant Laccaria sp. comme modèle fongique. Wallander et Nylund (1991, 1992) se sont par exemple intéressés aux effets de l’azote et du phosphore sur la production mycélienne et la croissance associée de la plante-hôte. Ces travaux montrent l’inhibition du développement fongique en cas d’excès azoté, tandis que l’effet du phosphate est bénéfique ; les auteurs replacent ces résultats dans un contexte forestier, mentionnant le déclin possible des associations ectomycorhiziennes lié au dépôt d’azote atmosphérique et { la fertilisation forestière. La plupart des travaux sont consacrés plus particulièrement au métabolisme du partenaire fongique, notamment à la nutrition phosphatée (Kropp 1990 ; Nguyen et al. 1992) et azotée (Ahmad et al. 1990 ; Martin et al. 1994 ; Yamanaka 1999 ; Kreuzwiezer et al. 2000) chez L. bicolor. Des études enzymatiques associées ont permis d’explorer le fonctionnement de ces voies métaboliques, comme la régulation de l’assimilation de l’azote par la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate-glutamate déshydrogénase (NADP-GDH) (Brun et al. 1992 ; Lorillou et al. 1996) chez L. bicolor. Un objectif commun de ces diverses études est de comprendre le cycle des nutriments, du sol à la plante, en passant par le champignon ectomycorhizien. Par des expérimentations in vitro, elles apportent des clés pour la compréhension du métabolisme du partenaire fongique, faute de pouvoir étudier ces mécanismes dans le cadre d’une association mycorhizienne en milieu forestier.
L. laccata et L. bicolor ont également été utilisés in vitro comme modèles d’étude des mécanismes impliqués dans la mise en place et le fonctionnement de l’interaction mycorhizienne. Ces travaux concernent d’abord la physiologie de la formation de l’interaction (par exemple l’adhésion { la cuticule racinaire de P. abies par L. amethystea puis sa pénétration, Kotke 1997), puis plus précisément les processus physico-chimiques impliqués. Karabaghli-Degron et al. (1998) ont par exemple montré que l’auxine produite par L. bicolor S238N stimulerait la rhizogenèse et la colonisation du cortex racinaire de P. abies. Des gènes de signalisation impliqués dans les premiers stade de la formation de la mycorhize entre L. bicolor et sa plante-hôte ont ensuite été caractérisés (Kim et al. 1999 ; Sundaram et al. 2001). Enfin, diverses activités enzymatiques impliquées dans le fonctionnement de la mycorhize établie ont été explorées (Brun et al. 1994 ; Bedell et al. 1995 ; Balasubramian et al. 2002 par exemple). L’ambition de ces différents travaux était de décrire finement le fonctionnement de la machinerie cellulaire d’un modèle fongique, impliqué dans une interaction biotique. Grâce au développement des outils de biologie moléculaire, ces études fonctionnelles de l’interaction ectomycorhizienne ont rassemblé une vaste quantité de connaissances sur les mécanismes de mise en place, de signalisation et de fonctionnement de la mycorhize. Cependant, ces connaissances sont restées fragmentaires, concentrées sur des fonctions non directement reliées entre elles (activités ATPase, glutamine synthétase, NADP-GDH…). Elles permettent de comparer ponctuellement les activités biologiques de différentes espèces modèles, mais restent difficiles à organiser entre elles pour dégager une image claire de la biologie de l’organisme fongique dans son intégralité, et de son interaction avec son hôte. Un moyen potentiel d’atteindre un niveau de compréhension supérieur des processus biologiques du champignon mycorhizien et de sa symbiose est alors d’accéder { des ressources génétiques plus étendues.
Les années 2000 : l’ère de la génomique
La mise en place et le développement de la symbiose ectomycorhizienne impliquent des gènes multiples, jouant un rôle dans une suite complexe d’étapes interdépendantes, participant à la communication entre les partenaires fongique et végétale depuis leur première interaction jusqu’{ la régulation de leurs échanges nutritifs (Smith et Read 2009). Suite à la disponibilité de grandes quantités d’information fonctionnelles sur la physiologie de l’interaction, un nouvel objectif est de relier ces processus à une information génétique, pour continuer à compléter efficacement l’assemblage des nombreux gènes impliqués dans les fonctions vitales du champignon ectomycorhizien et l’interaction mycorhizienne.
Le premier accès { l’information génomique en masse s’est fait via l’expression génomique. Courty et al. (2009), par exemple, ont eu recours à des puces d’expression transcriptomique dans des ectomycorhizes et des carpophores prélevés sur des plants de P. menziesii inoculés en pépinière par L. bicolor S238N et du mycélium de cette même souche cultivé in vitro, pour caractériser la diversité et l’évolution des familles géniques de laccases et ferroxydases.
L. bicolor est le premier champignon ectomycorhizien dont le génome ait été entièrement séquencé. Martin et al. ont publié en 2008 un assemblage de 65 millions de bases (Mb), soulignant les multiples promesses qu’il offrait : « L’identification des facteurs primaires régulant le développement symbiotique et l’activité métabolique ouvrira la porte de la compréhension du rôle des ectomycorhizes dans le développement et la physiologie de la plante, permettant d’explorer l’importance écologique complète de cette symbiose ».
Le séquençage du génome de L. bicolor représente en effet une opportunité pour comprendre les processus d’interactions entre les partenaires ectomycorhiziens fongiques et leurs plantes hôtes. La ressource génomique de L. bicolor complète déjà les recherches fonctionnelles préexistantes, en explorant plus avant la génétique des processus de formation et de fonctionnement de l’interaction plante-champignon ectomycorhizien. Par exemple, Lucic et al. (2008) se sont intéressés au transportome de l’azote chez L. bicolor, en associant à des puces d’expression génomique une approche d’exploration in silico de la séquence génomique, permettant de repérer au moins 128 gènes modèles impliqués dans le transfert de composés azotés. De manière comparable, Deveau et al. (2008) ont couplé les approches transcriptomique et génomique pour construire un inventaire des voies métaboliques impliquées dans le métabolisme primaires des sucres dans le mycélium, les ectomycorhizes et les carpophores de L. bicolor. D’après Martin et al. (2008), l’exploration du génome de L. bicolor a permis de prédire 20000 gènes codant des protéines, et de révéler un grand nombre de transposons et de séquences répétées, et de très nombreuses petites protéines sécrétées, vraisemblablement impliquées dans l’établissement de la mycorhize. Le génome séquencé de L. bicolor apparaît donc comme une ressource immense et prometteuse pour mener plus avant l’exploration fonctionnelle de la biologie du genre Laccaria et de son interaction ectomycorhizienne. Selon Martin et Nehls (2009), la plupart des gènes dont la transcription est induite par la symbiose codent des protéines aux fonctions inconnues, n’ayant pas d’homologues dans les modèles fongiques communément étudiés, et qui restent à identifier. Pour exploiter toutes ces informations, au-delà des analyses in silico, il reste nécessaire de continuer à coupler à la génomique des approches de protéomique et transcriptomique en laboratoire et de consacrer du temps à la caractérisation fonctionnelle in vitro des gènes aux fonctions encore inconnues.
La séquence complète du génome ouvre aussi la voie { l’exploration de questions évolutives, concernant les champignons en général, et les ectomycorhiziens en particulier. Une approche de génomique comparative, recourant aux séquences génomiques de L. bicolor et d’autres champignons, pourrait permettre d’étudier les fonctions de familles de protéines non encore identifiées, et de s’intéresser { l’évolution des familles géniques au sein des différents taxons fongiques, en relation avec leurs écologies. La comparaison avec d’autres génomes fongiques a révélé un nombre élevé de gènes chez L. bicolor, permettant un mode de vie symbiotique mais également des capacités saprophytiques (Deveau et al. 2009 montrent par exemple que les voies de biosynthèse et de catabolisme des sucres chez L. bicolor sont semblables à celles de basidiomycètes saprotrophes), et témoignant potentiellement de l’évolution de l’espèce (Martin et Nehls 2009).
Enfin, le génome séquencé de L. bicolor représente une ressource immense pour le développement de marqueurs génétiques spécifiques à L. bicolor ou transposés { d’autres 94 espèces, par exemple pour les études de génétique fonctionnelle en laboratoire, mais aussi pour caractériser le polymorphisme des populations en écosystèmes naturels (Martin et Selosse 2008). En effet, l’exploration de la structure du génome a révélé de nombreux loci microsatellites, d’abord utilisés pour cartographier le génome (Labbé et al. 2008). Et la comparaison de la séquence génomique avec des Expressed Sequence Tags (EST) préalablement disponible met en évidence l’existence de centaines de SNP (Tableau 1), exploitables pour estimer la diversité génétique de populations naturelles de L. bicolor, et potentiellement d’autres espèces du genre (Selosse et Martin 2008).
Laccaria bicolor et L. amethystina, espèces modèles de génétique des populations ectomycorhiziennes
Les premières études de la structure génétique des populations de Laccaria s’intéressaient { l’espèce L. bicolor, commune dans certains écosystèmes forestiers, décrivant ses génets pour essayer de comprendre la dynamique de ses populations locales : les changements, à des échelles temporelles variables, dans la composition de l’âge des populations, mais aussi les processus biologiques et environnementaux impliqués dans ces changements et leur importance écologique.
Baar et al. (1994) ont étudié la distribution spatiale et la taille de génets de L. bicolor dans une plantation néerlandaise de pins sylvestres, { l’aide de tests d’incompatibilité somatique (Encadré 2). Cette étude montrait que la taille des génets pouvait atteindre 12,5 m (Encadré 3), suggérant la coexistence de mycélium souterrain persistant (l’âge des génets était estimé entre 13 et 31 ans), et de petits génets, potentiellement nouvellement établis. de la Bastide et al. (1994) se sont également intéressés à la distribution et à la persistance de génets de L. bicolor, en suivant leurs fructifications de 2 { 4 ans dans une plantation d’épicéas. L’identification annuelle des génets, par type sexuel (Encadré 3) et RAPD, a démontré la capacité de persistance pendant au moins 3 ans de cette espèce ectomycorhizienne colonisatrice des premiers stades de la succession forestière. Le suivi temporel des populations locales de L. bicolor a ensuite été appliqué au contexte de suivi de souches introduites par mycorhization contrôlée. Selosse et al. (1998, 1999) ont suivi l’évolution des populations de deux souches introduites dans une plantation française de P. menziesii en génotypant les fructifications { l’aide de l’IGS et de marqueurs RAPD. Ces études montrent la persistance des souches inoculées L. bicolor S238N et L. bicolor 81306 (une souche française) pendant au moins 10 ans après leur inoculation (Selosse et al. 1998, 1999). Dans cette étude, L. bicolor S238N fructifiait abondamment mais ne s’étendait pas aux arbres non inoculés et ne s’hybridait pas avec les souches indigènes de laccaires, malgré sa compatibilité avec certaines d’entre elles. Les arbres inoculés n’étaient pas colonisés par d’autres souches, et l’extension de S238N serait limitée par la compétition pour les niches à coloniser avec les souches indigènes. (Selosse et al. 1998). En revanche, de possibles introgressions nucléaires de la souche 81306 à des génets indigènes de L. bicolor apparaissaient (Selosse et al. 1999). Cette étude s’intéressait également aux génets indigènes de L. bicolor, et révélait des génets pouvant mesurer 3,3 m et persister au moins 3 ans (Selosse et al. 1999).
En 1998, Selosse et ses coauteurs considéraient que « dans le futur, le genre Laccaria se développera probablement comme un modèle { la fois d’inoculation mycorhizienne et d’étude des populations fongiques perturbées ». Les études de populations de L. bicolor se sont en effet inscrites dans la période des inoculations mycorhiziennes. Cependant, les populations naturelles de L. amethystina sont plus abondantes, multi-stades, et leur caractères morphologiques en font un modèle de biologie des populations facile à étudier. À partir de 1999, les populations de L. amethystina ont été privilégiées à celles de L. bicolor pour des suivis temporels. Ces études testent une proposition formulée en 1990 par Dahlberg et Stenlid, qui a été la base théorique de nombreuses études de populations locales d’espèces ectomycorhiziennes (Douhan et al. en préparation) : la présence de nombreux, petits génets suggèrerait une colonisation récente par des basidiospores, alors que des génets plus grands indiqueraient une structure mycélienne plus étendue, croissant depuis un point d’établissement depuis plusieurs décennies et se trouvant souvent dans des milieux forestiers matures et fermés. Ces suivis peuvent également, comme les études de populations de L. bicolor ou d’Hebeloma cylindrosporum (Guidot et al. 2002, 2004), révéler des mécanismes de compétition intraspécifique au niveau local.
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Table des matières
CHAPITRE I : APPLIQUER LA GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS AUX CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS
I.1. INTRODUCTION : NAISSANCE DES CONCEPTS DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS
I.2. APPLICATIONS DES CONCEPTS DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS
I.2.1. À l’origine, des développements théoriques et empiriques successifs
I.2.2. Utiliser les outils de génétique des populations pour comprendre la diversité des populations naturelles
I.2.3. Structure génétique spatiale et approche biogéographique
I.3. GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS DE CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS
I.3.1. Diversité biologique et fonctionnelle des champignons ectomycorhiziens
I.3.2. Application de la génétique des populations aux espèces ectomycorhiziennes
CHAPITRE II : LE GENRE LACCARIA COMME MODÈLE D’ÉTUDE DES POPULATIONS DE CHAMPIGNONS ECTOMYCORHIZIENS
II.1. BRÈVE DESCRIPTION DE LA BIOLOGIE DE L’ESPÈCE
II.2. LE GENRE LACCARIA EN LABORATOIRE, UN MODÈLE DE BIOLOGIE ECTOMYCORHIZIENNE
II.2.1. Première période : Laccaria comme modèle biologique ectomycorhizien
II.2.2. Deuxième période : 1980 – 1990, les mycorhizations contrôlées
II.2.3. Troisième période : étude in vitro des mécanismes et de l’interaction ectomycorhizienne
II.2.4. Les années 2000 : l’ère de la génomique
II.3. LACCARIA BICOLOR ET L. AMETHYSTINA, ESPÈCES MODELES DE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS ECTOMYCORHIZIENNES
CHAPITRE III : DES POPULATIONS LOCALES À L’AIRE DE RÉPARTITION GLOBALE
III.1. ESTIMER LES FLUX DE GÈNES POUR COMPRENDRE LES INTERACTIONS ENTRE LES POPULATIONS
III.2. LES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA À L’ÉCHELLE FRANÇAISE
III.3. STRUCTURE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA À L’ÉCHELLE DE LEUR AIRE DE REPARTITION
CHAPITRE IV
IV.1. STRUCTURE DES POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA ET VARIABILITÉ ENVIRONNEMENTALE
IV.1.1. Adaptations des populations de L. amethystina aux variations environnementales
IV.1.3. Adaptations des populations et flux géniques
IV.2. LACCARIA AMETHYSTINA, UNE ESPÈCE EURASIATIQUE OU UNE SPÉCIATION CRYPTIQUE ENTRE EUROPE ET ASIE ?
IV.2.1. Déli mitation des espèces fongiques
IV.2.2. Hypothèse de spéciation cryptique transcontinentale chez L. amethystina
IV.3. COMPLÉMENTARITÉ DES ÉTUDES DE POPULATIONS DE LACCARIA AMETHYSTINA,DU SUIVI LOCAL ÀL’ÉCHELLE CONTINENTALE
IV.3.1. Régimes de reproduction
IV.3.2. Flux géniques entre les populations et dispersion
IV. 4.1. Disponibilité de marqueurs moléculaires
IV.4.2. Prolonger les suivis spatio-temporels locaux
IV.4.3. Préciser la biogéographie de L. amethystina sur le continent eurasiatique
IV.4.4. Élargir l’approche biogéographique au genre Laccaria dans l’Hémisphère Nord
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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