Comment les fourmis coupeuses de feuilles cultivent un jardin de champignons pour dégrader les plantes pourrait fournir des indications sur les biocarburants futurs.

1er février 2024

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par Maegan Murray, Pacific Northwest National Laboratory

Les scientifiques ont passé des décennies à trouver des moyens de dégrader efficacement et de manière rentable les matières végétales afin de les convertir en bioproduits utiles pour la vie quotidienne.

Les carburants d'origine biologique, les détergents, les compléments nutritionnels et même les plastiques sont le résultat de ce travail. Et bien que les scientifiques aient trouvé des moyens de dégrader les plantes au point nécessaire pour produire une gamme de produits, certains polymères tels que la lignine, qui est un ingrédient primaire de la paroi cellulaire des plantes, restent extrêmement difficiles à décomposer de manière rentable sans réintroduire de polluants dans l'environnement. Ces polymères peuvent être laissés comme des déchets sans autre utilisation.

Une communauté microbienne spécialisée composée de champignons, de fourmis coupeuses de feuilles et de bactéries est connue pour dégrader naturellement les plantes, les transformant en éléments nutritifs et autres composants absorbés et utilisés par les organismes et les systèmes environnants. Mais l'identification de tous les composants et réactions biochimiques nécessaires au processus est restée un défi important, jusqu'à présent.

Kristin Burnum-Johnson, directrice de groupe scientifique en biologie fonctionnelle et systémique au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), et une équipe de chercheurs du PNNL ont développé une méthode d'imagerie appelée imagerie protéomique informée par le métabolome (MIPI). Cette méthode permet aux scientifiques de plonger en profondeur dans le niveau moléculaire et de voir exactement quels sont les composants de base faisant partie du processus de dégradation des plantes, ainsi que ce qui se produit, quand et où se produisent les réactions biochimiques importantes qui le rendent possible.

Grâce à cette méthode, l'équipe a révélé des métabolites et des enzymes importants qui favorisent différentes réactions biochimiques vitales dans le processus de dégradation. Ils ont également révélé le rôle des bactéries résidentes dans le système, qui contribuent à rendre le processus encore plus efficace. Ces connaissances peuvent être appliquées au développement futur de biocarburants et de bioproduits.

Les recherches de l'équipe ont récemment été publiées dans Nature Chemical Biology.

Relation symbiotique entre les fourmis coupeuses de feuilles et les champignons révélant la clé du succès dans la dégradation des plantes

Pour leur recherche, l'équipe a étudié un type de champignon connu pour sa relation symbiotique avec une espèce de fourmis coupeuses de feuilles - un champignon appelé Leucoagaricus gongylophorus. Les fourmis utilisent le champignon pour cultiver un jardin fongique qui dégrade les polymères végétaux et d'autres matériaux. Les composants restants de ce processus de dégradation sont utilisés et consommés par une variété d'organismes du jardin, ce qui permet à tous de prospérer.

Les fourmis accomplissent ce processus en cultivant le champignon sur des feuilles fraîches dans des structures souterraines spécialisées. Ces structures deviennent finalement les jardins fongiques qui consomment les matières. Les membres bactériens résidents aident à la dégradation en produisant des acides aminés et des vitamines qui soutiennent l'écosystème global du jardin.

'Les systèmes environnementaux ont évolué au fil de millions d'années pour devenir des systèmes symbiotiques parfaits', a déclaré Burnum-Johnson. 'Comment pouvons-nous mieux apprendre de ces systèmes que en observant comment ils accomplissent naturellement ces tâches ?'

Mais ce qui rend cette communauté fongique si difficile à étudier, c'est sa complexité. Alors que les plantes, le champignon, les fourmis et les bactéries sont tous des composants actifs dans le processus de dégradation des plantes, aucun d'entre eux ne se concentre sur une tâche particulière ou n'est situé dans un seul endroit. Ajoutez à cela la petite échelle des réactions biochimiques se produisant au niveau moléculaire, et un puzzle incroyablement difficile se présente. Mais la nouvelle méthode d'imagerie MIPI développée au PNNL permet aux scientifiques de voir exactement ce qui se passe tout au long du processus de dégradation.

'Nous avons maintenant les outils pour comprendre pleinement les subtilités de ces systèmes et les visualiser dans leur ensemble pour la première fois', a déclaré Burnum-Johnson.

À l'aide d'un laser puissant, l'équipe a effectué des analyses sur des sections d'un jardin fongique d'une épaisseur de 12 microns - largeur approximative du film alimentaire en plastique. Ce processus a permis de déterminer les emplacements des métabolites dans les échantillons, qui sont des produits restants de la dégradation des plantes. Cette technique a également permis d'identifier l'emplacement et l'abondance de polymères végétaux tels que la cellulose, le xylane et la lignine, ainsi que d'autres molécules dans des régions spécifiques. Les emplacements combinés de ces composants ont indiqué des points chauds où le matériau végétal avait été décomposé.

À partir de là, l'équipe s'est concentrée sur ces régions pour observer les enzymes, qui sont utilisées pour déclencher des réactions biochimiques dans un système vivant. Connaître le type et l'emplacement de ces enzymes leur a permis de déterminer quels microbes faisaient partie de ce processus.

All of these components together helped affirm the fungus as the primary degrader of the plant material in the system. Additionally, the team determined that the bacteria present in the system transformed previously digested plant polymers into metabolites that are used as vitamins and amino acids in the system. These vitamins and amino acids benefit the entire ecosystem by accelerating fungal growth and plant degradation.

Burnum-Johnson said if scientists had used other more traditional methods that take bulk measurements of primary components in a system, such as metabolites, enzymes, and other molecules, they would simply get an average of those materials, creating more noise and masking information.

'It dilutes the important chemical reactions of interest, often making these processes undetectable,' she said. 'To analyze the complex environmental ecosystems of these fungal communities, we need to know those fine detail interactions. These conclusions can then be taken back into a lab setting and used to create biofuels and bioproducts that are important in our everyday life.'

Marija Velickovic, a chemist and lead author of the paper, said she initially became interested in studying the fungal garden and how it degrades lignin based on the difficulty of the project.

'Fungal gardens are the most interesting because they are one of the most complex ecosystems composed of multiple members that effectively work together,' she said. 'I really wanted to map activities at the microscale level to better understand the role of each member in this complex ecosystem.'

Velickovic performed all the hands-on experiments in the lab, collecting material for the slides, scanning the samples to view and identify metabolites in each of the sections, and identifying hot spots of lignocellulose degradation.

Both Velickovic and Burnum-Johnson said they are ecstatic about their team's success.

'We actually accomplished what we set out for,' Burnum-Johnson said. 'Especially in science, that isn't guaranteed.'

The team plans to use its findings for further research, with specific plans to study how fungal communities respond and protect themselves amid disturbances and other perturbations.

'We now have an understanding of how these natural systems degrade plant material very well,' Burnum-Johnson said. 'By looking at complex environmental systems at this level, we can understand how they are performing that activity and capitalize on it to make biofuels and bioproducts.'

Provided by Pacific Northwest National Laboratory