Importance des interactions entre plantes et mycorhizes dans le maintien de la productivité des écosystèmes pastoraux montagnards soumis à des forçages climatiques

Plant-fungus interactions in the alpine environment subjected to future climatic conditions

• Auteur / Autrice : Anne-Lena Wahl
• Direction : Thomas Spiegelberger, Jean-Jacques Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes pour la biologie, la santé et l'environnement
• Date : Soutenance le 13/06/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Grenoble (2012-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Clément
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Mariotte
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Johnson, Thierry Gauquelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Effets de la sécheresse

Écologie des montagnes

Mycorhizes

Mots clés libres

Mycorrhizes

Écosystèmes pastoraux montagnard

Augmentation de la température

Sécheresse

Arbuscular mycorrhizal fungi

Mountain pasture ecosystems

Temperature rise

Drought

Résumé

Bien que les champignons mycorhiziens arbusculaires (AMF) soient présents des habitats collinaires aux habitats alpins, les recherches sur leur rôle dans l’écosystème montagnard sont encore incomplètes. Les objectifs de cette thèse sont d’analyser l’écologie et le fonctionnement des AMF ainsi que leur réponse au changement global dans les écosystèmes montagnards. Nous tentons de répondre aux questions de recherche suivantes : quels sont les effets de l’altitude sur les AMF indépendamment des effets des autres gradients et de la relation AMF-plante hôte ? Quelles relations de facilitation se développent dans les écosystèmes montagnards et quels bénéfices les plantes tirent-elles des AMF ?Avec l’augmentation d’un stress environnemental la symbiose AMF-plante doit théoriquement devenir plus mutualiste. Nous émettons l’hypothèse d’une modification du fonctionnement des interactions AMF-plante selon un gradient altitudinal dans les conditions environnementales actuelles, puis dans les conditions futures. Afin de vérifier ces hypothèses, une expérimentation in situ a été mise en place dans les Alpes Centrales d’Italie pour évaluer les variations des taux de mycorhization et leur abondance dans la communauté microbienne du sol, étudier la nature des relations entre plantes et mycorhizes ainsi que la productivité végétale le long d’un gradient altitudinal. De plus, les influences d’une augmentation de la température et d’une réduction des précipitations sont analysées séparément dans une chambre de croissance sous conditions contrôlées, ce qui permet de distinguer leurs effets respectifs sur la productivité des plantes et sur les interactions plantes – mycorhizes.Cette thèse montre que les AMF sont omniprésents dans les écosystèmes de montagne et qu’une diminution de leur abondance avec l'altitude dépend du contexte climatique global. D'autre part, la relation des AMF avec les plantes est fortement dépendante de la plante-hôte, ainsi que du contexte biotique et abiotique. Troisièmement, un changement des interactions AMF-plante avec l'altitude est suggéré par des indices indirects, mais est également très probablement dépendant de l'identité de la plante hôte. Cette thèse propose aussi une nouvelle orientation de recherche pour bien évaluer les hypothèses présentées. Il est nécessaire de réaliser des études sur le terrain où la présence des AMF est contrôlée et les interactions AMF-plante peuvent être évaluées. Afin de généraliser les résultats, ces expérimentations doivent être menées à différentes échelles spatiales et représenter différentes aires géographiques.Il est particulièrement important de comprendre et de qualifier ces processus en zone montagnarde pour prévoir leur évolution possible dans un contexte de changement global. Nos expérimentations montrent en effet que le réchauffement est un facteur important car il aggrave les conditions de sécheresse en basse altitude et entraine une baisse de la productivité des plantes. Nous démontrons que la présence de mycorhizes atténue l’impact du changement climatique sur la productivité des plantes mais que le niveau de cette atténuation varie selon les espèces de plantes.Les connaissances actuelles concernant les AMF en milieu montagnard sont peu développées sur les processus en jeu dans les interactions AMF-plantes. Grâce aux hypothèses présentées et à leur approche expérimentale cette thèse offre de nouvelles perspectives sur l’analyse de ces processus.

Even though arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are present from foothills to all alpine habitats, research on their role in mountain ecosystems remains incomplete. The main objective of this dissertation was to investigate interactions between AMF and plants along altitudinal gradients under both, natural conditions and simulated future climate change conditions.A novel framework is suggested for the functioning of the AMF-plant relationship along altitudinal gradients based on the stress gradient hypothesis. The first hypothesis expects the AMF-relationship to shift along the mutualism–parasitism continuum following changing environmental stress along the altitudinal gradient. The relationship might be most mutualistic at the subalpine zone. In a second hypothesis, this shift along the mutualism-parasitism continuum is predicted to be different under climate change conditions, and the most mutualistic expression of the AMF-plant relationship expected in the montane and alpine zone. Studies to validate the presented hypotheses will help to identify important mechanisms underlying plant-AMF interaction and with that the mediation of plant-plant interactions by AMF. In the scope of this thesis, the framework was addressed in field experiment as well as under controlled conditions in a climate chamber experiment.From a literature review and from a field experiment along a dry inner-alpine altitudinal gradient this thesis proposes the following conclusions: First, AMF are also ubiquitous in mountain ecosystems, but a decrease in their abundance with increasing altitude is dependent on the overall climatic context. Second, their relationship to plants is however strongly dependent on the host plant species as well as the biotic and abiotic context. Third, a shift of the AMF-relationship along with altitude is expected but will quite possibly also depend on the plant species identity. Fourth, to fully assess the suggested working hypotheses for AMF-plant interactions field studies must be conducted at different spatial scales and covering different mountain systems.It is particularly important to understand and investigate the drivers of AMF plant relationship in mountain ecosystems to be able to make sound predictions for AMF-plant interactions under future climate change conditions. The presented field and climate chamber experiments on climate change show that temperature is an important factor because it aggravates the conditions of drought in lowland and a threshold is surpassed. It becomes also clear that whether AMF mitigate climate change effects for plants or not is dependent on the plant species. Altogether this thesis contributes to current research questions in ecology, climate change mitigation and plant–soil interactions, because it addresses the role of AMF in mountain grassland ecosystem, investigates the effects of climate change and provides a new framework concerning the functioning of the AMF-plant relationship ranging from parasitism to mutualism.