La lumière après la mort : l'importance de la lumière du soleil dans les processus de décomposition de la litière

Light after death : the importance of spectral composition in litter decomposition processes

• Auteur / Autrice : Marta Pieristé
• Direction : Matthieu Chauvat, T. Matthew Robson, Estelle Forey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et biologie des organismes - populations - interactions
• Date : Soutenance le 16/06/2020
• Etablissement(s) : Normandie en cotutelle avec Helsingin yliopisto (Finland)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Étude et compréhension de la biodiversité (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Kurt Valter Fagerstedt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Estelle Forey, Kurt Valter Fagerstedt, Tarja H. Lehto, Christiane Gallet, P. Berg Matty, Laura Llorens Guasch, Stephan Hättenschwiler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarja H. Lehto, Christiane Gallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement ultraviolet

Écologie des taïgas

Écologie des forêts

Litière forestière

Photodégradation

Mots clés libres

UV

Décomposition

Lumière bleue

Photodégradation

Photofacilitation

Photo-inhibition

UV-A

UV-B

UV

Litter decomposition

Blue light

Photodegradation

Photofacilitation

Photo-inhibition

UV-A

UV-B

Résumé

Cette thèse s'intéresse à l'effet du rayonnement solaire sur la décomposition des litières. La lumière du soleil peut impacter la décomposition des litières de manière positive ou négative grâce au processus connu sous le nom de photodégradation. On définit la photodégradation comme l'ensemble des mécanismes directs et indirects par lesquels le rayonnement solaire peut impacter la décomposition des litières. Au sein du spectre solaire, les rayonnements à courtes longueurs d'ondes mais fortes énergies peuvent accélérer la décomposition au travers de la dégradation directe de la matière organique (ex: lignine, cellulose) via le processus connu sous le nom de «dégradation photochimique» provoquant ainsi la libération de composés de carbone volatils dans l'atmosphère. La dégradation photochimique peut également améliorer la décomposition microbienne grâce à la production de molécules plus labiles. Ce second processus est appelé «photofacilitation» (ou« photopriming »). Enfin, le rayonnement solaire a également la capacité d’impacter négativement la décomposition au travers de l’inhibition de l'activité des organismes décomposeurs et de la modification des communautés microbiennes (« photoinhibition »). Nous avons étudié le processus de photodégradation sous différentes canopées forestières en milieu tempéré et boréal. Au travers de deux études de terrain nous avons testé les effets de la photodégradation sur la perte en masse et la teneur en carbone lors de la décomposition de la litière dans chaque environnement (I en France et II en Finlande). Nous avons également étudié ces processus dans des conditions contrôlées dans le laboratoire (II). En France, nous avons réalisé une étude de terrain supplémentaire dans la même forêt que la première, pour analyser l'effet de la photodégradation sur les communautés microbiennes colonisant la litière (III). Nous avons utilisé des «photodegradation-litterbags» qui sont des sachets de litières permettant de filtrer différentes compositions du spectre solaire. Nous avons ensuite réalisé une méta-analyse (IV) afin de comprendre l’effet des différentes parties du spectre sur la photodégradation à l'échelle mondiale et dans différents biomes. Dans cette étude, nous avons aussi cherché s’il existait des corrélations entre les traits initiaux des litières et leur taux de photodégradation pour prédire cette photodégradation. Les résultats de cette thèse montrent que malgré des niveaux relativement faibles d'irradiations (sous-bois d'une forêt tempérée), la photodégradation reste importante dans le processus de décomposition de la litière. Cette thèse met également en évidence l'importance de la lumière bleue en tant que principal moteur de la photodégradation qui peut dans ces milieux tempérés de moyenne latitude, augmenter la perte de masse de litière et la perte de carbone. Cependant, à des latitudes plus élevées, le spectre complet de la lumière solaire limite la perte de masse suggérant ainsi que l'effet de la photodégradation soit dépendant du biome. De plus, l'effet des différentes régions spectrales est modulé par l’espèce constituant la canopée. En effet, des différences de canopées peuvent modifier la quantité du rayonnement solaire entrant et sa composition spectrale, mais également le microclimat du sous-étage, caractérisé par des combinaisons uniques de température, d'humidité et de hauteur de manteau neigeux. Cela suggère que l'interaction de la photodégradation avec d'autres facteurs environnementaux joue un rôle dans la détermination du taux de photodégradation.

This dissertation focuses on the effect of sunlight on leaf litter decomposition. Sunlight can affect litter decomposition positively or negatively through the process known as photodegradation. Photodegradation is the ensemble of direct, indirect and mediated mechanisms. Short-wavelength solar radiation, carrying high energy, has the capacity to directly breakdown relatively stable components of plant tissues, such as lignin and cellulose, through photochemical mineralization causing the release of volatile carbon compounds into the atmosphere. Photochemical mineralization produces more-labile molecules, which can enhance the activity of microbial decomposers through a process known as photofacilitation or photopriming. Solar radiation has also the ability to indirectly alter decomposition through negative effects (photoinhibition) on both the activity and community composition of decomposer organisms. We examined the process of photo degradation under forest canopies in a temperate and a boreal environment. Through two field experiments, we tested the effects of photodegradation on mass loss and carbon content during leaf litter decomposition in each environment (I in France and II in Finland). We also studied these processes under controlled conditions in a filter experiment (II). In France, we performed an additional field experiment, in the same forest as the first, to analyse the effect of photodegradation on microbial assemblages colonizing the litter (III). In these experiments, we employed “photodegradation-litterbags”, bespoke litterbags adapted from classical litterbags used in litter decomposition studies incorporating different types of film filter-material, allowing us to manipulate the spectral composition of sunlight. Finally, we conducted a meta-analysis (IV) to summarise the effect of photodegradation driven by different spectral regions of solar radiation at the global scale, and across different biomes, and to test whether the photodegradation rate is modulated by initial litter traits. This dissertation highlights the importance of blue light as a major driver of photodegradation in a temperate mid-latitude forest understorey, with the potential to enhance both litter mass loss and carbon loss. However, at a higher latitude, the full spectrum of sunlight decreased mass loss, suggesting that the effect of photodegradation is specific to each biome. Forest canopies not only modify the amount of incoming solar radiation and its spectral composition, but also shape the microclimate of the understorey, producing unique combinations of temperature, moisture and snow-pack depth. Hence, each canopy generates novel interactions of solar radiation and other environmental factors which act on leaf litter to determine the photodegradation rate. At both boreal and temperate latitudes, our spectral manipulations revealed the effect of photodegradation to be litter species-specific, with recalcitrant litter experiencing higher rates of photodegradation. In terms of microbial decomposition, we highlighted how blue light, UV-A radiation and green light, act synergistically to shape the structure of microbial decomposer communities, with bacteria tending to dominate in sunlight and fungi in dark conditions. The results of our meta-analysis show that the direction and magnitude of photodegradation are dependent on the spectral region considered. We highlight the crucial role of blue light and UV-A radiation as drivers of photodegradation across biomes. Blue light has a positive effect in enhancing mass loss, while UV-A radiation has a negative effect. Moreover, our meta-analysis shows that the rate of photodegradation at the global level is modulated by climate and ecosystem type; whereby arid and semiarid ecosystems with low canopy cover experience the highest photodegradation rates.