Dans et autour des racines enchevêtrées du sol forestier, les champignons et les bactéries poussent avec les arbres, échangeant des nutriments contre du carbone dans un vaste marché mondial. Un nouvel effort pour cartographier les plus abondantes de ces relations symbiotiques, impliquant plus de 1,1 million de sites forestiers et 28, 000 espèces d'arbres—a révélé des facteurs qui déterminent où les différents types de symbiotes prospéreront. Les travaux pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les partenariats symbiotiques structurent les forêts du monde et comment elles pourraient être affectées par le réchauffement climatique.

Les chercheurs de l'Université de Stanford ont travaillé aux côtés d'une équipe de plus de 200 scientifiques pour générer ces cartes, publié le 16 mai dans La nature . Du travail, ils ont révélé une nouvelle règle biologique, que l'équipe a nommé Read's Rule du nom du pionnier de la recherche sur la symbiose Sir David Read.

Dans un exemple de la façon dont ils pourraient appliquer cette recherche, le groupe a utilisé sa carte pour prédire comment les symbioses pourraient changer d'ici 2070 si les émissions de carbone se poursuivent sans relâche. Ce scénario a entraîné une réduction de 10 pour cent de la biomasse des espèces d'arbres qui s'associent à un type de champignons que l'on trouve principalement dans les régions plus froides. Les chercheurs ont averti qu'une telle perte pourrait entraîner une augmentation du carbone dans l'atmosphère, car ces champignons ont tendance à augmenter la quantité de carbone stockée dans le sol.

"Il n'y a qu'un nombre limité de types symbiotiques différents et nous montrons qu'ils obéissent à des règles claires, " a déclaré Brian Steidinger, chercheur postdoctoral à Stanford et auteur principal de l'article. "Nos modèles prédisent des changements massifs dans l'état symbiotique des forêts du monde, des changements qui pourraient affecter le type de climat dans lequel vos petits-enfants vont vivre."

Trois symbioses

Caché à la plupart des observateurs, ces collaborations inter-royaumes entre les microbes et les arbres sont très diverses. Les chercheurs se sont concentrés sur la cartographie de trois des types de symbioses les plus courants :les champignons mycorhiziens arbusculaires, les champignons ectomycorhiziens et les bactéries fixatrices d'azote. Chacun de ces types englobe des milliers d'espèces de champignons ou de bactéries qui forment des partenariats uniques avec différentes espèces d'arbres.

Il y a trente ans, Lire des cartes dessinées à la main de l'endroit où il pensait que différents champignons symbiotiques pourraient résider, en fonction des nutriments qu'ils fournissent. Les champignons ectomycorhiziens alimentent les arbres en azote directement à partir de la matière organique, comme les feuilles en décomposition. Il a proposé, ils seraient plus efficaces dans les endroits plus frais où la décomposition est lente et la litière de feuilles est abondante. En revanche, il pensait que les champignons mycorhiziens à arbuscules domineraient sous les tropiques où la croissance des arbres est limitée par le phosphore du sol. Des recherches menées par d'autres ont ajouté que les bactéries fixatrices d'azote semblent se développer mal à des températures fraîches.

Tester les idées de Read a dû attendre, cependant, parce que la preuve nécessitait la collecte de données à partir d'un grand nombre d'arbres dans diverses parties du globe. Ces informations sont devenues disponibles grâce à la Global Forest Biodiversity Initiative (GFBI), qui arpentait les forêts, forêts et savanes de tous les continents (sauf l'Antarctique) et écosystème sur Terre.

L'équipe a fourni l'emplacement de 31 millions d'arbres à partir de cette base de données ainsi que des informations sur les champignons ou bactéries symbiotiques le plus souvent associés à ces espèces dans un algorithme d'apprentissage qui a déterminé comment différentes variables telles que le climat, chimie du sol, la végétation et la topographie semblent influencer la prévalence de chaque symbiose. De là, ils ont découvert que les bactéries fixatrices d'azote sont probablement limitées par la température et l'acidité du sol, alors que les deux types de symbioses fongiques sont fortement influencés par des variables qui affectent les taux de décomposition, la vitesse à laquelle la matière organique se décompose dans l'environnement, telles que la température et l'humidité.

"Ce sont des modèles mondiaux incroyablement forts, aussi frappant que d'autres modèles fondamentaux de la biodiversité mondiale, " a déclaré Kabir Peay, professeur adjoint de biologie à la Faculté des sciences humaines et auteur principal de l'étude. "Mais avant ces données dures, la connaissance de ces schémas était limitée aux experts en écologie mycorhizienne ou fixatrice d'azote, même s'il est important pour un large éventail d'écologistes, biologistes évolutionnistes et scientifiques de la Terre.

Bien que la recherche ait soutenu l'hypothèse de Read - trouver des champignons mycorhiziens arbusculaires dans les forêts plus chaudes et des champignons ectomycorhiziens dans les forêts plus froides - les transitions entre les biomes d'un type symbiotique à un autre ont été beaucoup plus abruptes que prévu, sur la base des changements graduels des variables qui affectent la décomposition. Cela confirme une autre hypothèse, les chercheurs pensaient :que les champignons ectomycorhiziens modifient leur environnement local pour réduire davantage les taux de décomposition.

Cette boucle de rétroaction peut aider à expliquer pourquoi les chercheurs ont vu la réduction de 10 % des champignons ectomycorhiziens lorsqu'ils ont simulé ce qui se passerait si les émissions de carbone se poursuivaient sans relâche jusqu'en 2070. Le réchauffement des températures pourrait forcer les champignons ectomycorhiziens à franchir un point de basculement climatique, au-delà de la gamme d'environnements qu'ils peuvent modifier à leur guise.

Cartographie de la collaboration

Les données derrière cette carte représentent de vrais arbres de plus de 70 pays et la collaboration, dirigé par Jingjing Liang de l'Université Purdue et Tom Crowther de l'ETH Zürich, entre des centaines de chercheurs qui parlent des langues différentes, étudier différents écosystèmes et relever différents défis.

"Il y a plus de 1,1 million de parcelles forestières dans l'ensemble de données et chacune d'entre elles a été mesurée par une personne sur le terrain. Dans de nombreux cas, dans le cadre de ces mesures, ils ont essentiellement fait un câlin à l'arbre, " a déclaré Steidinger. " Tant d'efforts - des randonnées, transpiration, tiques, de longues journées, est sur cette carte."

Les cartes de cette étude seront mises à disposition gratuitement, dans l'espoir d'aider d'autres scientifiques à inclure les symbiotes des arbres dans leurs travaux. À l'avenir, les chercheurs ont l'intention d'étendre leurs travaux au-delà des forêts et de continuer à essayer de comprendre comment le changement climatique affecte les écosystèmes.