Caractérisation multi-échelle de la dynamique de croissance d'un réseau fongique : étude du champignon filamenteux Podospora anserina

Multiscale characterization of the growth dynamics of a fungal network : study of the filamentous fungus Podospora anserina

• Auteur / Autrice : Clara Ledoux
• Direction : Florence Chapeland-Leclerc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 28/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Malagnac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Malagnac, Patrick Perré, Marc Durand, Martine Bassilana, Eric Herbert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Malagnac, Patrick Perré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Podospora anserina

Anastomoses

Hyphes

Mycélium

Croissance

Podospora

Mots clés libres

Podospora anserina

Mycélium

Hyphe

Apex

Anastomose

Réseau fongique

Réseau branchant

Réseau en croissance

Graphe

Optimisation sous contraintes

Podospora anserina

Mycelium

Hypha

Apex

Anastomosis

Fungal network

Branching network

Growing network

Graph

Constrained optimization

Résumé

La forme végétative des champignons filamenteux est constituée par un réseau branchant d'hyphes en croissance, le mycélium. Cette structure dynamique permet le développement optimal de l'organisme jusqu'à la reproduction, en lui conférant une capacité d'exploration et d'exploitation efficace de son environnement. Dans cette étude, la dynamique de croissance en deux dimensions du champignon filamenteux Podospora anserina a été caractérisée par une approche multi-échelle. À partir d'un dispositif de microscopie en champ clair développé au laboratoire, nous obtenons une collection d'images du mycélium, régulièrement réparties sur les 20 premières heures de croissance à partir de la germination d'une ascospore. Les images couvrent l'intégralité de la surface du mycélium (jusqu'à 1 cm), tout en conservant une résolution permettant de distinguer individuellement les hyphes (5 µm). L'analyse du réseau mycélien dans sa globalité s'appuie sur l'extraction de grandeurs dynamiques caractéristiques du développement et de la complexité du réseau : longueur du mycélium, nombre d'apex et de noeuds (connexions entre les hyphes), ou encore surfaces délimitées par les hyphes. Ainsi, les profils de croissance de mycéliums résultant de conditions de croissance variées (contraintes nutritives, lumineuses ou de température) ont été précisément quantifiés. D'autre part, une analyse à l'échelle de l'hyphe (environ 5 µm) a permis de caractériser les vitesses de croissance des apex, la répartition des branchements le long de l'hyphe, et les interactions entre deux branches proches au sein du mycélium. Une distinction claire entre hyphes latérales et apicales a pu ainsi être établie. De plus, en nous appuyant sur une simulation du réseau mycélien de P. anserina sous la forme d'un arbre binaire, et calibrée à partir des données expérimentales, nous montrons comment le mycélium optimise extension et densification. Tout, d'abord la distribution observée des angles de branchement apicaux correspond à la maximisation de l'extension radiale et orthoradiale du thalle, tout en minimisant les chevauchements. Dans un deuxième temps, nous montrons que les hyphes latérales maximisent l'exploitation du substrat par croissance radiale de la densité en retard de phase avec le front d'exploration. Enfin, des structures intracellulaires ont été observées par une approche de microscopie en fluorescence. En particulier, la dynamique des noyaux, du Spitzenkörper, et la répartition des septa chez P. anserina ont été analysées.

The vegetative form of filamentous fungi is constituted by a branching network of growing hyphae, the mycelium. This dynamical structure allows for the optimal development of the organism until reproduction, giving it a capacity to explore and exploit its environment efficiently. In this study, the two-dimensional growth dynamics of the filamentous fungus Podospora anserina was characterized using a multiscale approach. From a bright field microscopy device developed in the laboratory, we obtain a collection of images of the mycelium, evenly distributed over the first 20 hours of growth from the germination of an ascospore. The images cover the entire surface of the mycelium (up to 1 cm), while keeping a resolution allowing us to distinguish individual hyphae (5 µm). The analysis of the mycelial network as a whole was based on the extraction of dynamical quantities which are characteristic of the development and the complexity of the network: length of the mycelium, number of apexes and nodes (connections between hyphae), or surfaces delimited by hyphae. The growth profiles of mycelia resulting from various growth conditions (nutrient, light or temperature constraints) were precisely quantified. On the other hand, an analysis at the hypha scale (about 5 µm) enabled us to characterize the growth rates of the apexes, the distribution of branches along the hypha, and the interactions between two close branches within the mycelium. A clear distinction between lateral and apical hyphae could be established. Furthermore, based on a simulation of the mycelial network of P. anserina in the form of a binary tree, and calibrated from experimental data, we showed how the mycelium optimizes extension and densification. First, the observed distribution of apical branching angles corresponds to the maximization of radial and orthoradial extension of the thallus, while minimizing overlaps. Second, we showed that lateral hyphae maximize substrate exploitation by radial density growth lagging behind the exploration front. Finally, intracellular structures were observed by a fluorescence microscopy approach. In particular, the dynamics of the nuclei, the Spitzenkörper, and the distribution of septa in P. anserina were analyzed.