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Percer les secrets des microbes du sol pour améliorer les prévisions climatiques

SciTechDaily

Les modèles microbiens exploitent de nombreuses données génomiques pour alimenter les simulations sol-carbone. Crédit : Illustration de Victor O. Leshyk

Les scientifiques utilisent le ADN des microbes du sol pour modéliser leur fonctionnement et leur utilisation du carbone, contribuant ainsi à faire progresser le précision des modèles climatiques.

Les modèles climatiques sont essentiels pour prévoir et faire face au changement climatique, mais ils peuvent ne pas représenter de manière adéquate les microbes du sol, un acteur essentiel dans la séquestration du carbone dans les sols des écosystèmes qui affecte le cycle mondial du carbone. Une équipe de scientifiques dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab) a développé un nouveau modèle qui intègre les informations génétiques des microbes. Ce nouveau modèle permet aux scientifiques de mieux comprendre comment certains microbes du sol stockent efficacement le carbone fourni par les racines des plantes et pourrait éclairer les stratégies agricoles visant à préserver le carbone dans le sol afin de soutenir la croissance des plantes et l’atténuation du changement climatique.

« Nos recherches démontrent l’avantage de rassembler l’information génétique des micro-organismes directement à partir du sol. Auparavant, nous ne disposions que d’informations sur un petit nombre de microbes étudiés en laboratoire », a déclaré Gianna Marschmann, chercheuse postdoctorale au Berkeley Lab, et auteur principal de l’article. « Disposer d’informations sur le génome nous permet de créer de meilleurs modèles capables de prédire comment divers types de plantes, cultures ou même cultivars spécifiques peuvent collaborer avec les microbes du sol pour mieux capter le carbone. Simultanément, cette collaboration peut améliorer la santé des sols.

Cette recherche est décrite dans un nouvel article récemment publié dans la revue Microbiologie naturelle. Les auteurs correspondants sont Eoin Brodie du Berkeley Lab et Jennifer Pett-Ridge du Lawrence Livermore National Lab, qui dirige le projet scientifique « Microbes Persist » Soil Microbiome Scientific Focus Area, financé par le Bureau des sciences du DOE pour soutenir ce travail.

Voir l’invisible : impact microbien sur la santé des sols et le carbone

Les microbes du sol aident les plantes à accéder aux nutriments du sol et à résister à la sécheresse, aux maladies et aux ravageurs. Leurs impacts sur le cycle du carbone sont particulièrement importants à représenter dans les modèles climatiques car ils affectent la quantité de carbone stockée dans le sol ou rejetée dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone au cours du processus de décomposition. En construisant leur propre corps à partir de ce carbone, les microbes peuvent le stabiliser (ou le stocker) dans le sol et influencer la quantité et la durée pendant laquelle le carbone reste stocké sous terre. L’importance de ces fonctions pour l’agriculture et le climat est observée comme jamais auparavant.

Cependant, avec un seul gramme de sol contenant jusqu’à 10 milliards de micro-organismes et des milliers d’espèces différentes, la grande majorité des microbes n’ont jamais été étudiés en laboratoire. Jusqu’à récemment, les données que les scientifiques devaient fournir à ces modèles provenaient d’une infime minorité de microbes étudiés en laboratoire, dont beaucoup n’avaient aucun rapport avec ceux qui avaient besoin d’être représentés dans les modèles climatiques.

« C’est comme construire un modèle d’écosystème pour un désert basé sur des informations provenant de plantes qui poussent uniquement dans une forêt tropicale », a expliqué Brodie.

Le monde sous nos pieds

Pour relever ce défi, l’équipe de scientifiques a utilisé directement les informations génomiques pour construire un modèle capable d’être adapté à tout écosystème nécessitant une étude, des prairies de Californie au dégel du pergélisol dans l’Arctique. Avec le modèle utilisant les génomes pour fournir des informations sur le fonctionnement des microbes du sol, l’équipe a appliqué cette approche pour étudier les interactions plante-microbiome dans un parcours californien. Les parcours sont importants sur le plan économique et écologique en Californie, représentant plus de 40 % de la superficie du pays.

Les recherches se sont concentrées sur les microbes vivant autour des racines des plantes (appelées rhizosphère). Il s’agit d’un environnement important à étudier car, bien qu’elle ne représente que 1 à 2 % du volume du sol terrestre, on estime que cette zone racinaire contient jusqu’à 30 à 40 % du carbone terrestre stocké dans les sols, une grande partie de ce carbone étant libérée par les racines. à mesure qu’ils grandissent.

Pour construire le modèle, les scientifiques ont simulé la croissance de microbes dans l’environnement des racines, en utilisant les données du Hopland Research and Extension Center de l’Université de Californie. Néanmoins, l’approche ne se limite pas à un écosystème particulier. Puisque certaines informations génétiques correspondent à des traits spécifiques, tout comme chez l’homme, la relation entre les génomes (sur quoi repose le modèle) et les traits microbiens est transférable aux microbes et aux écosystèmes du monde entier.

L’équipe a développé une nouvelle façon de prédire les caractéristiques importantes des microbes affectant la rapidité avec laquelle ils utilisent le carbone et les nutriments fournis par les racines des plantes. À l’aide de ce modèle, les chercheurs ont démontré qu’à mesure que les plantes grandissent et libèrent du carbone, des stratégies de croissance microbienne distinctes émergent en raison de l’interaction entre la chimie des racines et les caractéristiques microbiennes. En particulier, ils ont découvert que les microbes ayant un taux de croissance plus lent étaient favorisés par les types de carbone libérés au cours des étapes ultérieures du développement des plantes et étaient étonnamment efficaces dans l’utilisation du carbone, leur permettant de stocker davantage de cet élément clé dans le sol.

La racine du problème

Cette nouvelle observation fournit une base pour améliorer la façon dont les interactions racine-microbe sont représentées dans les modèles et améliore la capacité de prédire l’impact des microbes sur les changements du cycle mondial du carbone dans les modèles climatiques.

« Ces nouvelles connaissances ont des implications importantes pour l’agriculture et la santé des sols. Grâce aux modèles que nous construisons, il est de plus en plus possible de tirer parti de nouvelles connaissances sur la manière dont le carbone circule dans le sol. Cela ouvre à son tour la possibilité de recommander des stratégies pour préserver le carbone précieux dans le sol afin de soutenir la biodiversité et la croissance des plantes à des échelles réalisables pour mesurer l’impact », a déclaré Marschmann.

La recherche met en évidence la puissance de l’utilisation d’approches de modélisation basées sur des informations génétiques pour prédire les traits microbiens qui peuvent aider à faire la lumière sur le microbiome du sol et son impact sur l’environnement.

Ce travail a été soutenu par le Département américain de l’énergie (DOE), Bureau de recherche biologique et environnementale.

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