Effet du couvert végétal et des microorganismes sur l'établissement du sapin en forêt boréale

Effect of vegetation cover and micro-organisms on balsam fir establishment in boreal forest

• Auteur / Autrice : Mélissande Nagati
• Direction : Monique Gardes, Yves Bergeron, Mélanie Roy, Annie Desrochers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie, biodiversité et évolution
• Date : Soutenance le 27/08/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université du Québec à Abitibi-Témiscamingue
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Evolution et Diversité Biologique (Toulouse ; 2003-2023)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Études pédologiques

Symbiose

Forêts -- Canada

Mots clés libres

Ectomycorhizes

Épinette noire

Peuplier faux-tremble

Sapin baumier

Sol

Séquençage haut débit

Ectomycorhizes

Black spruce

Trembling aspen

Balsam fir

Soil

High throughput sequencing

Résumé

Au Québec, le 49° de latitude nord représente la frontière entre la forêt mixte dominée par le sapin baumier et le bouleau et la forêt boréale dominée par l’épinette noire. Cette frontière tend à migrer vers le nord avec la migration du sapin. En Abitibi, à cette latitude, le sapin a localement un meilleur établissement sous les couverts de peuplier en comparaison de ceux d’épinette. Les conditions climatiques et édaphiques sont similaires dans les deux peuplements, mais les conditions biotiques diffèrent. Le sous-bois sous épinette est dominé par les mousses et des arbustes éricacés, tandis que le sous-bois sous peuplier a une richesse spécifique plus élevée, particulièrement en arbustes et herbacés. Les communautés végétales sont connues pour affecter les communautés fongiques du sol, notamment mycorhiziennes. Ces dernières pourraient expliquer les différences d’établissement du sapin entre les deux types de peuplement. Les mycorhizes sont des symbioses à bénéfices réciproques entre des champignons et les racines et sont importantes pour la nutrition des plantes en forêt boréale. Nous avons testé 1) si les communautés de champignons sont différentes entre les peuplements de peuplier et d’épinette, 2) si les sapins s’associent avec un plus grand nombre et/ou à des espèces différentes sous les peupliers et 3) si les symbioses mises en place sous les peupliers sont plus efficaces que celles sous les épinettes pour la nutrition du sapin. Le séquençage de l’ADN des champignons du sol a permis de détecter une forte diversité et de mettre en évidence des différences entre les communautés fongiques du peuplier et de l’épinette. Soixante plantules de sapins ont été suivis sur le terrain afin de relier la croissance et le taux de nutriments dans les aiguilles au taux de mycorhization et à la diversité fongique. L’analyse a révélé que le taux de nutriments dans les aiguilles du sapin était supérieur sous les peupliers par rapport au sapin poussant sous les épinettes à proximité d’éricacées. De plus, la présence des plantes éricacées était corrélée à des changements de la communauté mycorhizienne associée aux racines du sapin, ainsi qu’à une diminution du contenu en azote dans les aiguilles. Des expériences ont également été menées en chambre de croissance afin de déterminer si la mycorhization avait un impact sur la germination, la survie, la nutrition et la croissance des plantules. Pour ce faire, des sapins ont été semés dans des sols provenant des différents types de peuplement et la moitié a été stérilisée afin d’éliminer les microorganismes. Les résultats obtenus ont permis de détecter un effet de l’identité des microorganismes plutôt qu’un effet du taux de mycorhization sur la nutrition et la croissance du sapin. Les sapins poussant dans les sols récoltés sous épinette mais à distance des éricacées ont eu une meilleure nutrition azotée que dans les sols prélevés sous peuplier. Un dispositif expérimental intégrant la possibilité de formation de réseaux mycorhiziens fonctionnels entre plantes est à envisager afin de tester l’importance des interactions sur l’établissement du sapin. Les résultats de la thèse nous indiquent que les différences d’abondance et de croissance du sapin sous le peuplier et l’épinette sont la résultante d’interactions complexes, où les communautés mycorhiziennes et végétales jouent un rôle. Les différences de communautés fongiques et de nutriments dans le sol entre les peuplements pourraient expliquer la meilleure nutrition du sapin sous les peupliers. D’autre part, la présence d’une communauté ectomycorrhizienne non compatible et/ou peu favorable aux sapins à proximité des éricacées pourrait expliquer en partie les problèmes de croissance et de nutrition sous les épinettes. Ainsi, la facilitation du sapin par le peuplier est partiellement expliquée par les communautés fongiques. Nos données confirment que les champignons du sol sont à prendre en compte dans les modèles de migration du sapin vers le nord.

In Quebec, 49 ° north latitude represents the border between the mixed forest dominated by balsam fir and birch and the boreal forest dominated by black spruce. This border tends to migrate north with the migration of the fir. In the clay plains of Abitibi-Témiscamingue located at this latitude, fir locally has a better capacity for establishment under cover dominated by aspen compared to those dominated by spruce. The climatic and edaphic conditions are similar in the two stand types, but the biotic conditions differ. The undergrowth under spruce is dominated by mosses and shrubs of the Ericaceae family, while the undergrowth associated with aspen stands has a higher specific richness, particularly in shrub and herbaceous species. Plant communities in tree strata and undergrowth are known to affect soil fungal communities and in particular mycorrhizal communities. The latter could explain the differences in fir establishment observed between the two types of stand. Indeed, mycorrhizae are mutually beneficial symbioses between fungi and tree roots and they are particularly important for the nutrition of plants in the boreal forest. In this project, we tested 1) whether the soil fungal communities are different between aspen and spruce stands, 2) whether fir trees associate with a greater number of fungal species, but also with different species under aspens and 3) whether the symbioses set up under aspens are more effective than those under spruce for the nutrition of fir. High throughput DNA sequencing of soil fungi has detected high fungal diversity and revealed differences in the composition of fungal communities in aspen and spruce, both for decomposing fungi and for mycorrhizal fungi. For two years, sixty fir seedlings were monitored in the field in order to relate growth and rate of nutrients in the needles to mycorrhizal rate and diversity. Analysis revealed that the nutrient level in fir needles was higher under aspens compared to fir growing under spruce near ericaceous plants. In addition, the presence of ericaceous plants was correlated with changes in the mycorrhizal community associated with fir roots, as well as a decrease in the nitrogen content in the needles. Experiments were also carried out in a growth chamber to determine if mycorrhization had an impact on the germination, survival, nutrition and growth of young seedlings. To do this, fir trees were sown in organic and mineral soils from different stands and half were sterilized in order to eliminate microorganisms. The results obtained after three growing seasons detected an effect of the identity of soil microorganisms rather than an effect of the rate of mycorrhization on the nutrition and growth of the fir tree. In addition, fir trees growing in soils harvested under spruce but at a distance from ericaceous plants had better nitrogen nutrition than in soils collected under aspen. A more complex experimental set-up integrating the possibility of forming functional mycorrhizal networks between plants should be considered in order to test the importance of interactions on the establishment of the fir tree. Overall, the results of the thesis indicate that the observed differences in abundance and growth of fir under aspen and spruce are the result of complex interactions, where mycorrhizal communities and plant communities play a role. The differences in soil fungal communities and nutrients in organic soil observed between the two stands could explain the better nutrition of fir under aspens. On the other hand, the presence of an ectomycorrhizal community that is not compatible and / or not very favorable to fir trees near the ericaceae could partly explain the problems of growth and nutrition under the spruce trees. Thus, the facilitation of fir by poplar is partially explained by soil fungal communities. Finally, our data confirm that soil fungi should be taken into account in models of fir northward migration in response to climate change.