Formation Mycorhization - Travaux pratiques
Formation à Sées (61) - 16 & 17 novembre 2017
00:00:17 - En forêt
00:33:31 - Dans une prairie
01:16:45 - Observations en laboratoire
Observation des feuilles de hêtre et question de départ
Pour commencer la séance, il est proposé d’aller sous les arbres et de ramasser chacun trois feuilles de hêtre à différents stades :
- une feuille encore verte ;
- une feuille bien jaune ;
- une feuille vraiment brune.
La question posée est la suivante : pourquoi les feuilles deviennent-elles brunes, alors qu’avant elles sont jaunes, et qu’avant encore elles étaient vertes ?
Le premier indice est simple : la couleur verte est due à la chlorophylle.
Quand la feuille devient jaune, une première explication possible est la disparition de la chlorophylle, qui laisse apparaître d’autres pigments déjà présents, notamment les carotènes. Cette idée de « démasquage » est correcte en partie, mais elle ne suffit pas à expliquer toute la coloration automnale :
- le jaune observé est souvent beaucoup plus vif que ce qu’on obtiendrait par simple disparition de la chlorophylle ;
- certaines feuilles deviennent rouges, comme chez l’érable ;
- or, si le rouge n’était qu’un mélange avec le vert initial, la feuille aurait dû paraître noirâtre auparavant, ce qui n’est pas le cas.
Il faut donc admettre qu’en automne, d’autres composés s’accumulent réellement dans les feuilles. Les carotènes en font partie, mais ils n’expliquent pas tout. La nature chimique précise de ces changements de couleur n’est pas encore entièrement résolue à ce stade de l’explication.
Dégustation des feuilles et mise en évidence des tanins
Une dégustation des feuilles est ensuite proposée, dans un ordre de goût croissant :
- la feuille brune d’abord ;
- puis la feuille verte ;
- puis la feuille jaune.
La feuille brune rappelle presque une feuille de thé.
La feuille verte garde un goût plus végétal, évoquant encore quelque chose de frais, de type « salade ». En revanche, elle laisse déjà une sensation légèrement râpeuse en bouche. Cette sensation est un indice de la présence de tanins.
La feuille jaune est décrite comme plus amère, et elle rend la bouche encore plus râpeuse. Cela montre qu’entre l’état vert et l’état jaune, quelque chose s’est accumulé. Cette accumulation est liée à des tanins, parfois colorés en jaune, parfois en rouge selon les cas.
Mais un paradoxe apparaît : si les tanins s’accumulent au moment où la feuille jaunit, pourquoi finissent-ils par ne plus se percevoir de la même façon quand la feuille devient brune ?
C’est là que commence l’explication chimique du phénomène.
Ce que la plante remobilise avant la chute des feuilles
Avant que la feuille tombe, la plante récupère tout ce qu’elle peut. Elle remobilise une grande partie des éléments utiles contenus dans la feuille afin de ne pas les perdre.
Cependant, certains éléments restent dans la feuille et partiront avec elle, notamment :
- du calcium ;
- divers déchets ;
- des cristaux d’oxalate de calcium.
La feuille est en quelque sorte une poubelle pour la plante. Mais ce n’est pas seulement un organe qu’on abandonne : au moment de la sénescence, la plante y accumule aussi massivement des tanins.
Certains de ces tanins sont colorés, ce qui contribue aux couleurs automnales.
La question devient alors : pourquoi produire activement ces tanins au lieu de simplement laisser tomber la feuille ?
L’idée que ce seraient de simples déchets n’est pas satisfaisante, car la biosynthèse des tanins coûte de l’énergie. C’est donc un investissement. Si cet investissement avait été inutile, l’évolution aurait favorisé des mutants ne produisant pas ces tanins et économisant cette énergie. S’ils sont conservés, c’est qu’ils ont une fonction.
Où sont stockés les tanins et pourquoi ils sont dangereux
Les tanins sont stockés dans la vacuole, c’est-à-dire dans le grand compartiment central de la cellule végétale.
Ils ne doivent pas être laissés n’importe où dans la cellule, car ils sont potentiellement toxiques. On sait bien que les plantes utilisent souvent les tanins comme moyen de défense, mais la raison précise de cette toxicité est rarement explicitée.
Les tanins sont des molécules phénoliques. Ils comportent :
- des fonctions OH, hydrophiles ;
- des cycles aromatiques, hydrophobes.
Cette double nature leur permet d’interagir fortement avec les protéines.
Pourquoi les tanins « tannent » les protéines
Le mot « tanin » est rapproché d’un ancien mot celtique lié à l’écorce, car les tanins étaient historiquement extraits des écorces pour tanner les cuirs.
Or le cuir, ce sont des protéines. Le tannage consiste à plonger ces protéines dans une solution contenant des tanins. Ceux-ci s’attachent aux protéines :
- par leurs parties hydrophobes, qui interagissent avec les régions hydrophobes des protéines ;
- par leurs fonctions OH, qui interagissent avec les zones hydrophiles.
Ils déforment ainsi les protéines et peuvent aussi établir des liaisons entre elles. Quand le tannage se poursuit, surtout avec chauffage, cela forme un grand réseau de liaisons qui rend le matériau :
- plus dur ;
- plus résistant ;
- moins putrescible.
Cette propriété explique l’effet défensif des tanins chez les plantes : ils perturbent les protéines des organismes qui cherchent à les attaquer.
Pourquoi les tanins gênent les microbes et les herbivores
Les microbes qui attaquent les plantes sécrètent des enzymes, donc des protéines, pour digérer leurs tissus. Si ces enzymes rencontrent des tanins, ceux-ci s’y accrochent et les bloquent.
De la même manière, dans le tube digestif des animaux, les enzymes digestives sont des protéines. Les tanins perturbent donc aussi la digestion.
Chez l’humain, cela se manifeste de plusieurs façons :
- le goût amer signale la présence de tanins ;
- si l’on en consomme trop, cela déclenche un rejet ;
- la sensation râpeuse vient du fait que les tanins se lient à des protéines lubrifiantes de la bouche et de la salive, qui ne jouent alors plus leur rôle.
Autrement dit, si la bouche semble rêche après dégustation, c’est parce que les protéines qui la rendent normalement douce et glissante ont été neutralisées.
Ce mécanisme explique à la fois :
- la défense contre les herbivores ;
- la défense contre les microbes ;
- le rôle des tanins dans la feuille en sénescence.
Pourquoi la feuille devient brune
Tant que la feuille est jaune ou rouge, les tanins sont encore enfermés dans les vacuoles. Ils n’interfèrent donc pas encore massivement avec les autres protéines cellulaires.
Quand la feuille vieillit davantage, la vacuole se déstructure. Les tanins se répandent alors dans la cellule et commencent à réagir avec toutes sortes de protéines. Avec la lumière, de petites remontées de température et le temps, des réactions supplémentaires ont lieu, comme dans le tannage du cuir.
On obtient progressivement un grand complexe brun-noir, fait de :
- tanins ;
- protéines ;
- autres constituants cellulaires piégés ;
- azote ;
- phosphates.
Ce mélange devient de plus en plus sombre parce que les tanins changent de propriétés optiques en s’associant à de multiples composés. À force d’accrocher « tout », la feuille absorbe davantage de longueurs d’onde et perd ses belles couleurs jaunes ou rouges : elle devient brun noirâtre.
C’est donc ce grand complexe tanins-protéines qui explique la brunification finale de la feuille.
Intérêt écologique de ce brunissement
Ce complexe a une propriété importante : il est peu lessivable. Quand la feuille tombe au sol en hiver, l’azote et le phosphate qu’elle contient ne sont pas facilement emportés par les pluies.
C’est un avantage pour la plante, car en hiver :
- l’activité microbienne est réduite ;
- peu d’organismes peuvent récupérer rapidement ces éléments ;
- sans ce piégeage, ils risqueraient d’être perdus.
Les tanins permettent donc de maintenir l’azote et le phosphate dans un état organique complexe, difficilement mobilisable.
La question reste toutefois entière : qui pourra finalement utiliser ce stock immobilisé au sol ?
Début de réponse : quelques champignons attaquent les feuilles mortes
On observe parfois, dans la litière, des feuilles qui blanchissent. Si on les remue, on voit qu’elles sont colonisées par quelques champignons. Ceux-ci consomment progressivement les constituants de la feuille.
La feuille blanchie devient molle, presque comme du papier. Ce qui reste alors surtout, c’est la cellulose. Les autres composants plus riches, notamment ceux contenant :
- du carbone facilement accessible ;
- de l’azote ;
- du phosphate,
sont progressivement consommés.
Mais ce processus est lent, surtout en saison froide. Une grande partie des feuilles mortes passe donc l’hiver en conservant ce stock d’éléments piégés.
Le point important est que ces champignons finiront par attaquer le complexe, mais pas tous de la même manière, ni avec la même efficacité.
Les myrtilles et les mycorhizes d’éricacées
La discussion se déplace ensuite vers des plantes de sous-bois, notamment la myrtille. Il est rappelé que les myrtilliers des bois se propagent souvent végétativement, en réseaux. Ce qu’on voit sur le terrain peut ainsi correspondre à un même individu très étendu.
Sur les fines racines blanches de myrtille, on observe des cellules superficielles renflées contenant de petites pelotes de champignons. Ce sont des mycorhizes d’éricacées.
Ce type de mycorhize est présenté comme un premier exemple de champignons capables d’aller chercher directement des ressources dans la matière organique du sol.
Observation d’ectomycorhizes en forêt
En forêt, sous conifères notamment, on observe des racines très fines de couleur chair, blanche, rose ou parfois rougeâtre, présentant des extrémités renflées et ramifiées. Ces structures sont des ectomycorhizes.
Les formes sont très variables :
- blanches ;
- couleur chair ;
- roses ;
- rouges ;
- parfois coralloïdes, c’est-à-dire très ramifiées.
Cette diversité visuelle montre bien qu’il ne s’agit pas d’une simple structure produite uniquement par la plante. La couleur et la forme dépendent du champignon associé.
Il est indiqué que, chez les arbres, on peut trouver de l’ordre de 100 à 500 espèces de champignons mycorhiziens associées à un même arbre.
La taille d’un individu fongique peut être très variable :
- parfois très locale ;
- parfois sur plusieurs mètres ;
- parfois sur plusieurs dizaines de mètres de diamètre.
Comme chez les plantes, il existe de petits et de grands individus.
Les champignons mycorhiziens exploitent la matière organique
Dans ces sols forestiers, riches en matière organique peu minéralisée, on pourrait croire que les mycorhizes servent uniquement à puiser de l’eau. Mais l’analyse des espèces présentes montre qu’elles produisent de nombreuses enzymes utiles non pas surtout pour obtenir du carbone, mais pour récupérer :
- de l’azote organique ;
- du phosphate organique ;
- divers petits fragments de molécules.
On mentionne notamment :
- des phosphatases ;
- des protéases.
Autrement dit, les racines forestières, via leurs champignons mycorhiziens, fouillent dans la matière organique morte. Elles exploitent leurs propres débris.
Cela permet de comprendre l’intérêt des tanins dans les feuilles mortes : ils bloquent les nutriments sous une forme que peu d’organismes peuvent utiliser rapidement, mais que certains champignons mycorhiziens associés à la plante pourront exploiter plus tard.
La plante se réserve ainsi en partie ses propres ressources.
Pourquoi les tanins ne bloquent plus tout une fois la feuille brune
Une question est posée : si les tanins sont capables de bloquer des enzymes, pourquoi les champignons finissent-ils quand même par attaquer la litière ?
La réponse est que, dans la feuille devenue brune, les tanins ne sont plus libres. Ils se sont déjà accrochés à des protéines et à d’autres composés. Ils sont donc « occupés ».
C’est comparable à certains fruits astringents comme les kakis, les prunelles ou les nèfles : après le gel ou après délitement des tissus, les tanins se sont fixés et deviennent beaucoup moins perceptibles.
Ainsi, dans la feuille brune :
- les tanins sont toujours là ;
- mais ils sont immobilisés dans des complexes ;
- ils ne sont plus disponibles comme tanins libres.
Les champignons capables de dégrader progressivement ces complexes peuvent alors récupérer les éléments nutritifs sous forme de petits fragments.
Une plante qui se nourrit indirectement de matière organique
Cette logique conduit à une idée importante : en forêt, la plante ne fonctionne pas du tout comme dans la vision simplifiée où elle absorberait uniquement des ions minéraux du sol.
Par l’intermédiaire de ses champignons mycorhiziens, elle peut récupérer des nutriments à partir de matière organique.
La couleur automnale n’a donc pas nécessairement de « sens » esthétique ou signalétique en elle-même. Elle est plutôt un effet secondaire visible d’un processus chimique et écologique : l’accumulation de tanins qui immobilisent des ressources dans la litière, pour qu’elles restent disponibles plus tard au bénéfice du système plante-champignon.
Le cas des nodosités fixatrices d’azote
Le propos quitte un moment les mycorhizes pour évoquer les nodosités des légumineuses, visibles sur des racines de vesce par exemple. Même lorsque les plantes obtiennent de l’azote grâce aux bactéries symbiotiques, elles restent mycorhizées, car elles ont toujours besoin :
- d’eau ;
- de potassium ;
- de phosphate.
Les nodosités sont roses en raison de la présence d’une hémoglobine végétale. Cette molécule piège l’oxygène dans le voisinage des bactéries :
- assez d’oxygène arrive pour leur respiration ;
- mais l’enzyme qui fixe l’azote est protégée, car elle ne supporte pas l’oxygène libre.
La fixation de l’azote est présentée ici comme une propriété émergente de l’association : ni la plante seule ni la bactérie seule ne la réalisent dans les mêmes conditions ; c’est l’organisation du nodule qui la rend possible.
Il est aussi signalé que la plante produit de petits peptides qui modifient le fonctionnement des bactéries et bloquent leur division, ce qui les fait grossir dans les nodosités.
Cyanobactéries fixatrices d’azote
Il est ensuite évoqué des cyanobactéries libres, visibles sous forme de masses gélatineuses noires qui gonflent par temps humide. Elles réalisent la photosynthèse et, pour certaines, fixent aussi l’azote.
Dans leurs filaments, certaines cellules spécialisées, appelées hétérocystes, ne font plus la photosynthèse. Elles respirent seulement, ce qui permet de consommer localement l’oxygène et de créer des conditions favorables à la nitrogénase. Elles reçoivent du carbone de leurs voisines photosynthétiques et, en retour, fournissent de l’azote réduit.
Cela illustre une autre manière, purement interne cette fois, de faire émerger une fonction nouvelle par division du travail.
Comparaison entre sol forestier et sol de prairie
L’observation se poursuit sur un autre type de sol, de prairie ou de milieu agricole.
Par rapport au sol forestier, on remarque immédiatement :
- beaucoup moins de matière organique visible ;
- une couleur plus claire ;
- une structure plus grumeleuse et mélangée.
Plusieurs raisons sont avancées :
- la matière organique y est exportée par la récolte ou le pâturage ;
- elle est plus rapidement décomposée ;
- le sol est plus aéré ;
- les vers de terre brassent fortement le tout.
Le goût des herbes est très différent de celui des feuilles forestières : elles sont agréables à manger, peu râpeuses, peu tanniques. Ce sont des plantes qui ont une autre stratégie : plutôt que de se défendre en accumulant des tanins, elles acceptent d’être broutées et repoussent rapidement.
Cette différence change toute la logique du sol.
Deux logiques écologiques opposées
Logique forestière
En forêt :
- les feuilles et débris sont riches en tanins ;
- les nutriments sont immobilisés dans des complexes organiques ;
- la décomposition est lente ;
- les bactéries sont moins favorisées ;
- les vers de terre sont peu abondants ;
- il y a peu de brassage ;
- les champignons mycorhiziens jouent un rôle central dans la récupération des ressources.
C’est une logique de rareté : la compétition pour l’azote et le phosphate est forte, donc on bloque les nutriments et on les réserve à son propre réseau fongique.
Logique de prairie ou d’agrosystème herbacé
Dans une prairie ou un système herbacé :
- les résidus sont pauvres en tanins ;
- ils sont riches en éléments nutritifs ;
- les microbes, surtout les bactéries, se développent vite ;
- la minéralisation est rapide ;
- les vers de terre prolifèrent ;
- le sol est brassé ;
- l’azote et le phosphate sont relargués rapidement.
C’est une logique de recyclage rapide. Les plantes y sont plus exigeantes en nutriments disponibles, mais ceux-ci circulent vite. Les mycorhizes y ont une place différente de celle observée en forêt.
Le rôle des vers de terre
Le sol grumeleux observé est largement constitué de turricules, c’est-à-dire de crottes de lombrics. Il est rappelé que, dans certains sols, l’ensemble de la couche superficielle peut passer dans le tube digestif des vers de terre en quelques années.
Les vers de terre sont favorisés là où la matière organique tombe sous une forme facilement décomposable par les bactéries. Ils se nourrissent alors largement de cette biomasse microbienne.
En forêt, au contraire, l’abondance de tanins et la décomposition plus lente limitent cette voie bactérienne, donc la production de nourriture pour les lombrics. Il y a moins de brassage, et les horizons restent plus différenciés.
Remettre de la matière organique dans les sols agricoles
Dans les sols agricoles, le fait de remettre de la matière organique n’est pas seulement utile pour fournir lentement de l’azote ou du phosphate.
Cela sert aussi à :
- améliorer la structure ;
- stabiliser les agrégats ;
- favoriser la rétention en eau ;
- limiter l’érosion ;
- retenir des cations grâce au complexe argilo-humique.
La matière organique joue donc un rôle central dans le fonctionnement physique et chimique du sol, au-delà du simple apport nutritif.
Discussion sur le labour
Une longue discussion porte sur le labour.
Le labour a historiquement pu apparaître comme une bonne idée, parce qu’il :
- désherbe ;
- perturbe certains ravageurs ;
- prépare un lit de semence ;
- remonte vers la surface des éléments plus riches provenant du bas du profil.
En ce sens, labourer revient à accélérer artificiellement un processus que les vers de terre réalisent aussi, mais plus lentement : le brassage et la remontée de matière.
Cependant, cette pratique a aussi des effets négatifs à plus long terme :
- destruction du stock de matière organique ;
- stimulation de la minéralisation ;
- augmentation de l’érosion ;
- perturbation des organismes du sol ;
- dégradation progressive du capital sol.
Le labour est présenté comme une pratique donnant un bénéfice immédiat, mais qui peut faire « emprunter » aux générations suivantes.
Effets du travail du sol sur les mycorhizes
Une autre discussion concerne les effets du labour sur les champignons mycorhiziens.
Il est souligné que le travail du sol :
- fragmente le mycélium ;
- rompt l’état fonctionnel du réseau ;
- modifie les équilibres entre espèces ;
- peut favoriser certaines espèces plus opportunistes, capables de recoloniser vite ;
- en défavoriser d’autres, plus dépendantes d’un réseau mycélien étendu.
On manque encore d’outils simples pour mesurer directement les effets fonctionnels de ces changements sur les plantes. Il est relativement plus facile aujourd’hui de mesurer :
- la diversité des champignons ;
- leur abondance relative ;
- leur ADN.
Il est beaucoup plus difficile d’évaluer précisément l’effet concret sur la plante, tant les interactions dépendent :
- du champignon ;
- de la plante ;
- du sol ;
- du contexte de culture.
Il est également rappelé que certaines plantes ou couverts permanents peuvent maintenir un réservoir d’inoculum. C’est un des intérêts possibles de l’agroforesterie, des couverts végétaux ou de systèmes plus continus : garder en permanence des racines qui alimentent les champignons en carbone.
Observation des spores d’endomycorhizes
La partie pratique prévoit aussi une observation de spores de champignons mycorhiziens arbusculaires, obtenues par tamisage de sols.
Plusieurs tamis sont utilisés, de mailles croissantes :
- 63 µm ;
- 100 µm ;
- 160 µm ;
- 250 µm.
Le but est de récupérer, dans différentes fractions, des spores de champignons mycorhiziens. Il est rappelé qu’on ne récupère pas uniquement ces spores, mais aussi :
- des débris végétaux ;
- des particules minérales ;
- d’autres éléments du sol.
Les spores peuvent être observées au microscope, soit au fond, soit parfois en surface si elles ont pris de l’air et flottent.
Observation directe d’ectomycorhizes
Des échantillons de racines ectomycorhizées sont également préparés pour être observés de près. On insiste sur certains caractères reconnaissables :
- extrémité renflée ;
- aspect charnu ;
- couleur différente du reste de la racine ;
- ramifications caractéristiques.
Ces traits permettent de distinguer une racine mycorhizée d’une racine non mycorhizée.
Coloration des endomycorhizes
Pour observer les endomycorhizes dans des racines, une coloration est préparée.
La logique du protocole est la suivante :
- les racines sont d’abord décolorées, souvent à la potasse, jusqu’à devenir translucides ;
- on applique ensuite un colorant.
Il est indiqué que de l’encre noire peut être utilisée. Ce type de coloration marque bien les parois des structures fongiques et donne un contraste utile pour visualiser :
- les filaments ;
- les arbuscules ;
- les vésicules.
Dans les préparations de racines de tomate mentionnées, les tissus fongiques apparaissent plus nettement que les tissus de la plante.
Conclusion générale
L’ensemble de la séance montre que les mycorhizes ne peuvent pas être comprises seulement comme un dispositif d’absorption supplémentaire de l’eau ou des minéraux.
Elles s’inscrivent dans une logique écologique plus vaste, qui relie :
- la sénescence des feuilles ;
- la production de tanins ;
- le ralentissement de la minéralisation ;
- la structure de la litière ;
- le type d’humus ;
- la nature des organismes décomposeurs ;
- la disponibilité des nutriments ;
- les stratégies des plantes.
Dans les milieux forestiers notamment, les tanins jouent un rôle majeur dans la conservation temporaire de l’azote et du phosphate dans la litière, avant leur récupération indirecte par la plante via ses champignons mycorhiziens.
Cette vision conduit à reconsidérer profondément le fonctionnement des plantes : elles ne vivent pas simplement sur un sol minéral, mais au sein d’un système biologique complexe, dans lequel leurs partenaires microbiens jouent un rôle décisif.
