Ces plantes qui n’ont pas besoin du Soleil pour vivre

Aujourd’hui, je vous emmène en voyage… en Malaisie ! Comme la plupart d’entre vous, je suis coincé derrière mon écran d’ordinateur en ce moment, mais ce n’est pas une excuse pour ignorer l’actualité scientifique internationale. Et ça tombe bien, car je vais vous parler d’une découverte récente faite dans le parc national du Royal Belum sur la péninsule du Myanmar, en Malaisie.

Ça fait du bien de voyager… même depuis sa chaise d’ordinateur ! (source)

Pour les personnes dont la géographie n’est pas le point fort (et je m’inclue dedans, inquiétez-vous pas), la Malaisie, c’est ici :

Localisation de la Malaisie (gauche, source)
et du parc national du Royal Belum (droite, source : Siti-Munirah et al 2021)

Cette région du monde est un des biodiversity hotspot (« points chaud » de biodiversité en français), c’est-à-dire une zone de la planète qui présente une diversité biologique élevée, directement menacée par les activités humaines. Dans le cas des zones tropicales telles que la Malaisie, il s’agit principalement de la déforestation.

Heureusement, certains gouvernements prennent des mesures pour protéger ce qui peut encore l’être, et créent des zones de réserves qui ne sont pas exploitées. C’est le cas du parc national du Royal Belum, où nos scientifiques ont fait une bien étrange rencontre…

Pour la petite histoire, les scientifiques à l’origine de la découverte et description de cette plante travaillent au Forest Research Institute Malaysia, situé proche de Kuala Lumpur (la capitale de la Malaisie), et ont tout d’abord pris connaissance de l’existence de cette plante… sur les réseaux sociaux ! En effet, un guide naturaliste du Royal Belum State Park avait posté des photos de cette plante intrigante, et les scientifiques en sont venus à la conclusion qu’il pouvait s’agit d’une nouvelle espèce. La suite, on la connait : une campagne de terrain plus tard, une nouvelle plante était répertoriée !

Sans plus attendre, je vous dévoile cette espèce révélée au grand jour par l’équipe en question : il s’agit de Thismia belumensis.

Plante entière dans son milieu naturel (source )

Mais… dites-moi, elle n’est pas très verte, pour une plante… et puis, ça ressemble plus à un cauchemar sorti tout droit de l’imaginaire de Ridley Scott plutôt qu’une sympathique petite plante de sous-bois dans la forêt tropicale… Alors, regardons de plus près ce drôle de végétal.

Vue rapprochée de Thismia belumensis. (source :  )

Non seulement, cette plante n’est pas verte et aucune feuille n’est visible… mais elle ressemble furieusement à la bouche d’un animal quand on se rapproche. Alors, que penser ? Est-ce une plante carnivore qui attire des insectes et les gobe au passage dans sa large « bouche » ? Que nenni ! C’est un peu plus complexe que ça…

Effectivement, cette plante n’est pas verte, donc elle ne peut pas réaliser la photosynthèse et utiliser l’énergie du soleil pour fabriquer sa propre nourriture (c’est-à-dire des sucres). Comment fait-elle pour se développer, se maintenir et survivre même ?

Il s’avère que les plantes du genre Thismia (qui regroupe tout de même entre 80 et 90 espèces selon les auteurs) sont ce que l’on appelle « mycohétérotrophes » : cela signifie que ces plantes se développent au dépend des champignons du sol. En gros, au lieu de fabriquer ses propres sucres grâce à la photosynthèse, la plante utilise son système racinaire pour aller « pomper » les sucres fabriqués par les champignons dans le sol. On assiste donc ici à une relation de parasitisme au bénéfice de la plante, alors que la plupart du temps c’est le champignon qui sera le parasite.

On peut même aller plus loin et dire que les champignons servent de lien de transfert direct du carbone depuis les plantes chlorophylliennes jusqu’à nos plantes mycohétérotrophes ! Pour résumer la chose, voici un petit schéma :

Lien trophiques entre les plantes et les champignons dans le sol, avec les transferts de carbone (=sucres) associés. (Source)

Dans notre cas, il s’agit d’une relation de parasitisme et non de symbiose (comme avec les mycorhizes) car c’est une relation à sens unique : la plante récupère les nutriments et sucres auprès du champignon mais ne redonne rien en échange.

Quant à la forme de cette fleur, eh bien… les chercheurs n’ont pas encore trouvé d’explication ! ce qui est encore plus étrange, c’est que chez le genre Thismia, les fleurs ont la plupart du temps une symétrie radiale (comme une étoile de mer si l’on veut) alors que dans notre cas, la fleur possède une symétrie bilatérale. Le mystère reste donc entier vis-à-vis de cette morphologie particulière…

A gauche, Thismia neptunis, une espèce récemment redécouverte en Malaisie (Sochor et al 2018 ); à droite,  Thismia belumensis (modifié d’après Siti-Munirah et al 2021)

D’autres exemples de mycohétérotrophie peuvent s’observer à travers le règne végétal, et pas besoin d’aller à l’autre bout du monde pour ça ! On trouve par exemple Monotropa uniflora en Amérique du Nord, dans les forêts où se trouvent des champignons de la famille des Russules (Yang et al 2006). De la même manière que les plantes du genre Thismia, la monotrope va se « brancher » sur les filaments du champignon présent dans le sol afin d’en extraire les nutriments.

Mais le plus étrange dans tout ça, c’est la mycohétérotrophie n’a pas qu’une seule origine (Merckx et al, 2013) dans le règne des végétaux ! Cette particularité se trouve dans de nombreuses lignés évolutives qui comptent principalement des plantes chlorophylliennes… alors, pourquoi cette capacité à « voler » des sucres aux champignons s’est-elle développée ? Sans avoir la réponse exacte à cette question (comme bien souvent en sciences), on peut proposer plusieurs hypothèses (Merckx et al, 2013). Par exemple, on pourrait penser que certaines plantes utilisent la mycohétérotrophie pour éviter de stocker trop de nutriments dans leurs graines : ainsi, les nouvelles plantules s’associent directement avec les filaments de champignons dans le sol, en leur « pompant » leurs réserves de sucres… c’est tout bénéfice pour la plante-mère, qui n’a pas besoin de dépenser toutes ses ressources dans sa descendance (les autres organismes s’en chargent !). D’autres hypothèses laissent entendre que le développement de la mycohétérotrophie s’est fait en même temps que la formation des premières forêts à canopée fermée… ce qui empêche la lumière d’arriver au sol ! Donc, être capable d’utiliser les ressources d’autres organismes, au lieu de faire la photosynthèse, est un avantage évolutif certain dans ces conditions d’obscurité.

En conclusion, les plantes mycohétérotrophes tirent leur subsistance du parasitisme envers les champignons… qui eux-mêmes, tirent leur nourriture soit des arbres vivants ou morts, alors on peut dire qu’au bout du compte, tous ces organismes qui sont reliés les uns autres tirent leur énergie d’une seule et même source : le soleil !

Bibliographie

·        Siti-Munirah MY, Suhaimi-Miloko Z, Zubir Ahmad MI (2021) Thismia belumensis (Thismiaceae), a remarkable new species from The Royal Belum State Park, Gerik, Perak, Peninsular Malaysia. PhytoKeys 172: 121–134. https://doi.org/10.3897/phytokeys.172.59336

·        https://www.newscientist.com/article/2162691-a-weird-underground-plant-has-been-rediscovered-after-151-years/

·        https://www.newscientist.com/article/2270144-fairy-lantern-flower-has-a-gaping-mouth-and-saps-energy-from-fungi/

·        Sochor, M., Egertova, Z., HRONEŠ, M., & DANČÁK, M. (2018). Rediscovery of Thismia neptunis (Thismiaceae) after 151 years. Phytotaxa, 340(1), 71-78.

·        S. Yang & D.H. Pfister (2006) Monotropa uniflora plants of eastern Massachusetts form mycorrhizae with a diversity of russulacean fungi, Mycologia, 98:4, 535-540, DOI: 10.1080/15572536.2006.11832656

·        Merckx, V. S. F. T., Freudenstein, J. V., Kissling, J., Christenhusz, M. J. M., Stotler, R. E., & Crandall-Stotler, B. (2013). Mycoheterotrophy. Springer, New York, NY. doi, 10, 978-1.

 

Les mille et une vies d'un atome de carbone

Cette semaine je suis en formation de statistique un peu poussée juste à côté du Mont-blanc, et comme le sous-entend l’expression « statistique un peu poussé », il n’y a que des matheux ou physiciens à mes côtés. J’ai besoin qu’on me parle de biologie !!!! Et la grosse question qui me revient quand je parle de mon sujet de thèse, c’est «  mais pourquoi tu travailles sur le carbone ? ». Et donc je me suis dit que ça pouvait peut-être vous intéresser, vous aussi, de savoir en quoi c’est important d’étudier le carbone dans les écosystèmes. Le carbone, c’est une des clés des cycles de vie à la surface de notre planète. C’est vrai que c’est intéressant de parler des êtres vivants mais savoir ce que la matière devient après est tout aussi important.

Pour un peu que vous ayez suivi vos cours de biologie au collège, vous devez savoir que la matière vivante (les plantes, les animaux, les micro-organismes de toutes sortes) est essentiellement constituée de 3 éléments : le carbone C, l’oxygène O et l’hydrogène H. Ces 3 éléments sont les constituants des sucres dont le glucose C₆H₁₂O₆ fait partie. Les sucres sont la source d’énergie de tous les organismes hétérotrophes. Etre hétérotrophe signifie qu’on a besoin d’une source d’énergie organique. On parle de substances organiques quand la substance essentiellement est constituée de carbone.

Pour avoir de l’énergie, les organismes hétérotrophes se nourrissent des organismes autotrophes. Ces derniers sont capables de synthétiser de la matière organique à partir de la matière minérale (c’est-à-dire les éléments simples comme le carbone, l’oxygène, l’hydrogène, l’azote, et les différents sels minéraux) en utilisant soit de l’énergie lumineuse, soit de l’énergie chimique. 

L’énergie permet aux organismes de créer de la matière à partir du moment où ils naissent et jusqu’à leur mort. Savez-vous ce que devient cette matière à la mort des organismes ?

Lorsqu’un animal meurt, son corps reste généralement à l’endroit même où il a donné son dernier souffle. Par la suite soit il est consommé par d’autres animaux appelés nécrophages (organismes qui se nourrissent de cadavres comme des diptères ou des coléoptères) ou saprophytes (organismes qui se nourrissent de matière en décomposition comme la mouche domestique Musca domestica), soit il est dégradé par les micro-organismes. Le plus souvent ces différents acteurs interviennent en synergie lors de la décomposition. Pour les plantes, les organismes morts restent sur place et sont dégradés soit par des forces mécaniques (le broyage et la fragmentation sous l’effet du passage des animaux, de la pluie, du vent,….), soit par l’action biologique et chimique des organismes (production d’enzymes dans le milieu par la méso-faune, la micro-faune et les micro-organismes).

La dégradation des organismes morts est appelée décomposition de la matière organique et consiste en un retour des structures organiques complexes à l’état le plus simple de particules (matière organique particulaire) puis de molécules à base de carbone (matière organique dissoute). Les matières organiques particulaire et dissoute vont être à nouveau transformées soit par des bactéries pour la matière organique dissoute, soit par les champignons pour la matière organique particulaire en éléments minéraux assimilables par les organismes autotrophes. Cependant, les bactéries et les champignons ne sont pas les seuls décomposeurs de la matière particulaire et dissoute, mais cela dépend essentiellement du type d’écosystème et des organismes présents dans le milieu.

(Source)

Il faut noter que certains organismes qui rentrent dans le groupe paraphylétique des protozoaires (par exemple les amibes constituent un groupe biologiquement hétérogène) sont aussi capables d’effectuer cette transformation ultime de la matière organique particulaire en éléments minéraux. Ainsi lorsque la matière a atteint le dernier stade de sa dégradation, le carbone est prêt à intégrer un nouveau cycle de vie.

Ce recyclage du carbone au sein des cycles de vie des organismes constitue une petite partie du cycle du carbone. En effet le carbone passe beaucoup de temps hors des organismes, comme par exemple lorsqu’il est sous forme de CO₂ ou encore lorsqu’il est sous forme dissoute dans l’eau et dans le sol (voir l'illustration ci-dessous).

Le cycle du carbone complet selon la NASA: dans l'eau, le sol et l'atmosphère

 

Selon le type d’écosystème (terrestre, marin, aquatique, humide ou sec), la matière organique décomposée peut prendre différentes formes. Par exemple, en milieu terrestre relativement sec, l’humus constitue une matière organique stable qui est déjà fortement dégradée. Il peut être utilisé sous forme de compost pour fertiliser les sols de culture. Vous en avez peut-être déjà utilisé lorsque vous avez planté des arbres dans votre jardin ou lors d’un éventuel rempotage de plantes ?!

L’humus est la couche superficielle du sol, la plus sombre, cette couleur étant due à la richesse en carbone de cette partie du sol.(Source)

Dans les zones terrestres humides, situées à l’interface entre écosystème terrestre et aquatique, la tourbe des tourbières constitue un puits de carbone composé essentiellement de matière organique végétale morte. La tourbe est fréquemment employée comme combustible et, en horticulture et en agriculture, elle est utilisée pour limiter le stress hydrique (la tourbe a forte capacité de rétention de l’eau).  

A gauche, une photo de tourbière humide (Source) et à droite, les amas de bûche de tourbes (Source)... ça c'est du carbone en barre!

En milieu aquatique, la matière organique décomposée n’est pas visible à l’œil nu, mais dans les cas où l’écosystème se trouve fortement enrichi en éléments nutritifs accessibles pour les organismes autotrophes du milieu, les algues et les cyanobactéries peuvent se développer sans limite si les conditions de température sont favorables. C’est le cas par exemple d’un enrichissement des eaux en carbone et en azote dû aux activités (agricoles et industrielles) humaines. Cela peut alors donner lieu à des cas d’eutrophisation des cours d’eau et des lacs.

Du vert dans un lac? Les algues et cyanobactéries sont en plein développement (Source)

Ainsi, que ça soit dans les organismes vivants ou dans le milieu, le carbone se recycle partout.

Après ce petit tour de cycle, on peut se demander combien de fois un atome de carbone intègre-t-il un être vivant ? Et quelles vies ont vécu les atomes de carbone qui constituent nos cellules ? Un de vos carbones aurait-il appartenu à Cléopâtre ? ou à un ptérodactyle ? On pourrait même tout imaginer …