La nature regorge de relations symbiotiques, dont certains se déroulent à l'abri des regards, comme le riche échange souterrain de nutriments qui se produit entre les arbres et les champignons du sol.

Mais ce qui se passe dans l'obscurité peut avoir de profondes implications au-dessus du sol, aussi :une nouvelle étude majeure révèle que les champignons du sol pourraient jouer un rôle important dans la capacité des forêts à s'adapter aux changements environnementaux.

Kai Zhu, professeur assistant d'études environnementales à l'UC Santa Cruz, a adopté une approche unique de « big data » pour étudier le rôle des champignons symbiotiques dans la migration des arbres dans les forêts de l'est des États-Unis.

"Notre climat change rapidement, et nos forêts réagissent, mais au ralenti, c'est à peine détectable, " dit Zhu, qui voulaient identifier les facteurs qui contribuent au rythme de cette réponse.

Dans les forêts, la croissance des arbres dépend en grande partie des nutriments disponibles dans le sol, tandis que le transfert de carbone par les racines vers le sol régule les processus écosystémiques. Les champignons mycorhiziens ("MY-koe-RY-zull") poussent sur les racines de la plupart des plantes et entraînent l'échange nutriment-carbone entre les plantes et le sol :ils absorbent les ressources en carbone de leurs hôtes et fournissent les nutriments du sol dont les plantes ont besoin. Les deux champignons les plus courants associés aux arbres forestiers sont les ectomycorhiziens (ECM), qui poussent sur les conifères, y compris les pins, chênes, et les hêtres, et arbusculaire (AM), qui poussent sur la plupart des non-conifères, comme les érables.

Zhu a utilisé les données du programme d'inventaire et d'analyse des forêts du département de l'Agriculture des États-Unis pour examiner comment les niveaux de carbone et d'azote du sol diffèrent entre les peuplements forestiers caractérisés par des arbres « à dominante AM » et « à dominante ECM ». Il a corrélé la distribution des arbres avec les champignons du sol et leur contenu, puis analysé la répartition des arbres par type de champignon. Dans la découverte la plus significative, Zhu a pu identifier des « signatures » distinctes de l'azote du sol qui ont un impact sur les sols et les écosystèmes de manière à déterminer la résilience des forêts au changement climatique.

Spécifiquement, les rapports carbone/azote du sol augmentent avec une plus grande dominance de l'ECM, même après avoir pris en compte le climat, texture du sol, et l'azote foliaire. De plus, La dominance de l'ECM est plus associée à une faible teneur en azote du sol qu'à une teneur élevée en carbone du sol.

"Ces résultats suggèrent que les arbres AM et ECM ont un succès différent le long des gradients de fertilité azotée, ou peut-être que les arbres AM et ECM favorisent des différences dans les taux de cycle du carbone et de l'azote en raison de traits associés à l'acquisition d'azote, " at-il dit. " Les deux processus peuvent se produire simultanément, conduisant à une rétroaction positive auto-renforçante plante-sol."

Les découvertes de Zhu suggèrent que la guilde mycorhizienne pourrait être un « trait fonctionnel » émergent.

Les traits fonctionnels sont ceux qui définissent les espèces en fonction de leurs rôles écologiques – comment elles interagissent avec l'environnement et avec les autres espèces. En tant que tel, ils sont prévisibles et facilement mesurables depuis le sol ou par satellite, ce qui les rend particulièrement précieux pour les scientifiques qui surveillent les réponses environnementales au changement climatique. "Ils nous disent comment l'écosystème réagit, " dit Zhu.

"Il n'y a pas encore de preuve que les forêts de l'Est déplacent leur aire de répartition géographique vers des latitudes plus élevées en réponse au réchauffement des températures, ", a déclaré Zhu. "Mais comprendre comment les relations mycorhiziennes ont un impact sur les écosystèmes nous aidera à prédire comment les forêts réagiront au changement global."

L'étude de Zhu, publié dans le Revue d'écologie , est l'un des premiers à utiliser l'ensemble de données à grande échelle de l'USDA pour voir comment le changement climatique affecte l'écosystème, une approche connue sous le nom de « top down » plutôt que « bottom up ».

En tant que spécialiste de l'environnement quantitatif, Zhu apporte les outils de la statistique et de la science des données à l'étude de l'écologie mondiale. Plutôt que de mesurer les caractéristiques fongiques dans le sol et de les multiplier, Zhu utilise des données existantes, y compris des ensembles de données à grande échelle générés par des satellites, pour examiner les modèles et les processus se déroulant à l'échelle continentale et mondiale. "Le big data devient de plus en plus populaire et puissant, " a-t-il dit. " C'est différent de la recherche traditionnelle en écologie, qui se déroule en laboratoire ou sur le terrain."

Zhu, dont la formation est en physique et théorie des systèmes, apporte une extrême urgence à son travail sur le changement climatique. Ses recherches portent sur quatre domaines :les écosystèmes forestiers, prairie, sol, et la phénologie, que Zhu décrit comme "le calendrier de la nature".

Zhu est déterminé à apporter de solides contributions à un domaine dans lequel la plupart des preuves sont incomplètes et peu convaincantes.

"Nous savons que l'environnement change, mais son impact sur la Terre et ses systèmes est une grande question, " dit-il. " En tant que scientifiques, nous avons la responsabilité de résoudre correctement ce problème - c'est un problème qui est important pour les scientifiques et le grand public."