Les chercheurs ont découvert un « point de basculement » évolutif affectant la croissance et la diversité des formes des champignons, soulignant à quel point des changements environnementaux mineurs peuvent avoir un impact significatif sur l’évolution. Cette découverte, basée sur des études de champignons et de moisissures aquatiques, révèle que certaines formes d'hyphes sont favorisées en raison de contraintes évolutives. Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur la résilience des espèces au changement climatique et sur la possibilité de créer des antimicrobiens ciblés contre les agents pathogènes fongiques.
La recherche montre que de petits changements environnementaux peuvent influencer considérablement les structures des cellules et des organismes.
Les scientifiques ont trouvé un « point de basculement » dans l’évolution des champignons qui ralentit leur croissance et sculpte leurs formes. Les résultats, publiés dans la revue Rapports de cellules, démontrer comment de petits changements dans les facteurs environnementaux peuvent conduire à d’énormes changements dans les résultats évolutifs.
Les champignons sont de formidables composteurs naturels. Ils attendent dans le sol forestier pour se nourrir des arbres tombés et des feuilles d'automne, libérant ainsi les nutriments essentiels de ces plantes dans la Terre.
Hyphes du champignon Allomyces arbuscula poussant dans le cadre d'un mycélium. Crédit : Maxim Ohairwe
Bien que les champignons évoquent souvent les chapeaux des champignons, les champignons ont également des « racines » souterraines appelées mycéliums. Les mycéliums sont constitués de milliers de cellules microscopiques interconnectées, appelées hyphes, qui se développent en de vastes réseaux. Les hyphes se frayent un chemin à travers le sol en poussant à partir de leurs extrémités. Pour ce faire, ils se gonflent eux-mêmes, à la manière des longs ballons utilisés pour fabriquer des animaux en ballon.
Leurs formes allongées permettent aux hyphes de localiser et de consommer les nutriments du sol. Mais tous les hyphes n’ont pas la même forme : certains ont des extrémités arrondies, tandis que d’autres sont pointues. Les hyphes des moisissures aquatiques – des agents pathogènes ressemblant à des champignons qui causent la brûlure des cultures – sont particulièrement pointus.
Le paysage de remise en forme des hyphes montrant que les formes naturelles sont contraintes par un point de basculement. Crédit : Maxim Ohairwe
Explorer les formes des hyphes
« Un défi majeur en biologie est d'identifier les facteurs évolutifs spécifiques qui déterminent la forme d'un organisme donné », a déclaré Enrique Rojas, professeur adjoint de biologie à L'Université de New York et l'auteur principal de l'étude.
Pour comprendre les raisons des différentes formes d'hyphes, Rojas et ses collègues ont combiné théorie et expériences pour étudier les champignons et les moisissures aquatiques de la nature. Ils ont d’abord utilisé des modèles physiques de croissance de la pointe inflationniste pour déterminer tous possible formes d'hyphes. Étonnamment, les formes de réel les hyphes trouvés dans la nature n’assumaient qu’un petit sous-ensemble des formes possibles.
Un hyphe d'Achlya bisexualis en croissance. Crédit : Maxim Ohairwe
Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les formes limitées observées dans la nature reflétaient la « survie du plus fort » et que les nombreuses formes possibles non observées chez les champignons réels étaient, pour une raison quelconque, des rejets évolutifs plus faibles. Pour explorer cette idée, ils ont examiné le taux de croissance des hyphes de différentes formes afin de créer un paysage de fitness pour les hyphes.
« Notre moment d'eurêka a été lorsque nous avons réalisé que la forme des hyphes était intimement liée à leur capacité à croître rapidement », a déclaré Maxim Ohairwe, doctorant au département de biologie de NYU et auteur principal de l'étude.
Mycélium hyphe. Crédit : Maxim Ohairwe
Paysages et évolution du fitness
Un paysage de fitness est comme une carte topographique qui visualise l'évolution d'un organisme : chaque espèces se promène dans son paysage de condition physique en testant si des mutations aléatoires dans ses gènes augmentent ou non son taux de croissance ou sa forme physique. Une espèce n’arrête son errance agitée que lorsqu’une nouvelle mutation diminue sa condition physique, c’est-à-dire lorsqu’elle atteint son maximum de condition physique.
Cependant, l'équipe de Rojas a découvert que les paysages de remise en forme peuvent être bien plus riches qu'un système de sommets et de vallées. En fait, ils ont découvert que le paysage de fitness des hyphes contenait une falaise en surplomb, ou point de basculement, et que cela agissait comme une barrière à l’évolution, limitant fortement la forme des hyphes fongiques. En conséquence, ils ont prédit que les hyphes dont les formes sont proches du point de basculement seraient particulièrement vulnérables aux petits changements environnementaux, chimiques ou génétiques.
Un hyphe d'Achlya bisexualis qui a été traité avec un produit chimique qui bloque le transport subcellulaire. Le traitement a provoqué un allongement beaucoup plus lent de l’hyphe et une forme étrange de nœud que l’on ne trouve pas dans la nature. Crédit : Maxim Ohairwe
Les chercheurs ont testé leur prédiction en traitant les champignons proches du point de basculement avec de petites quantités de produits chimiques affectant la croissance des hyphes. Ils ont utilisé un produit chimique qui réduit la pression à l'intérieur des hyphes et un autre dérivé d'une éponge marine qui bloque la capacité de l'hyphe à livrer des composants cellulaires à l'extrémité de la cellule. Les deux traitements ont provoqué le même effet dramatique : les hyphes se sont allongés beaucoup plus lentement et ont pris une forme étrange de nœud que l’on ne trouve pas dans la nature.
« Nos résultats expliquent la diversité des formes des hyphes dans un groupe d'espèces énorme, diversifié et important », a déclaré Rojas. « Plus largement, ils démontrent également un nouveau principe évolutif important : les paysages de fitness peuvent présenter des instabilités, ou des points de bascule, qui imposent des contraintes strictes sur des traits complexes, comme la forme biologique. »
Les chercheurs pensent que leurs résultats ont des implications cruciales pour notre compréhension de nombreux systèmes écologiques et évolutifs. Par exemple, les espèces dont l’évolution est sujette à un point de bascule pourraient être les plus vulnérables à l’augmentation progressive de la température provoquée par le changement climatique. Leurs découvertes pourraient également contribuer au développement de nouveaux antimicrobiens contre les champignons pathogènes en identifiant les vulnérabilités de leur croissance associées à un point de basculement évolutif.
Outre Rojas et Ohairwe, Branka Živanović de l'Université de Belgrade était co-auteur de l'étude. Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (subvention CAREER 2047404, subvention PHY-221045), le ministère de l'Éducation, de la Science et du Développement technologique de la République de Serbie (451-03-68/2022-14/200053) et la Deutsche Forschungsgemeinschaft (GA 173/13-1). Le laboratoire de microscopie de NYU, où la microscopie électronique a été réalisée, est financé par le Instituts nationaux de la santé (NCI P30CA016087 et S10 OD019974).
