Alberto Canarini (Université de Bologne, Italie), Pierre Mariotte (Agroscope, Suisse), Yolima Carrillo (Western Sydney University, Australie), Raúl Ochoa-Hueso (Université de Cadix, Espagne) et Barbara Drigo (Université d’Adélaïde et CRC SAAFE, Australie) discutent de leur article : Un fonctionnement souterrain amélioré est associé à une plus grande résistance des plantes à la sécheresse : implications pour les fonctions des écosystèmes
Une énigme de longue date dans l’écologie des prairies est de savoir pourquoi certaines espèces végétales survivent mieux à la sécheresse que d’autres. Nos recherches suggèrent une réponse qui se trouve presque entièrement hors de vue, sous la surface du sol.
Nous nous sommes concentrés sur une distinction que les écologistes reconnaissent depuis longtemps mais rarement mesurée en détail : la différence entre les espèces végétales dominantes et subordonnées. Les espèces dominantes sont abondantes, produisent beaucoup de biomasse et ont tendance à contrôler la structure d’une communauté végétale. Les espèces subordonnées sont présentes dans toute une communauté mais « font profil bas ». Ils semblent être des acteurs secondaires, mais pendant les sécheresses, ils tiennent souvent bon tandis que les dominants perdent de la biomasse. Pourquoi est-ce ? Et quelles en sont les implications ?
Des traits individuels aux stratégies globales
Des travaux antérieurs ont tenté d’expliquer la résistance à la sécheresse en examinant les caractéristiques individuelles des plantes : la résistance des feuilles, la profondeur des racines et l’efficacité de l’utilisation de l’eau. Mais les plantes ne se définissent pas par des traits uniques. Ils suivent des stratégies intégrées qui reflètent des compromis entre la croissance, la survie et la manière dont ils interagissent avec le monde vivant qui les entoure, y compris les microbes du sol.
Nous voulions savoir si ces stratégies plus larges d’histoire de vie pouvaient expliquer pourquoi les espèces subordonnées et dominantes réagissent si différemment à la sécheresse – et, surtout, ce qui se passe sous terre lorsque la sécheresse frappe.
Expériences de sécheresse dans deux prairies australiennes
Nous avons travaillé sur deux sites expérimentaux de sécheresse en Australie. Sur chaque site, les abris anti-pluie ont réduit les précipitations de 50 % pendant des années, créant ainsi des scénarios de sécheresse réalistes. Nous nous sommes concentrés sur deux espèces de graminées présentes sur les deux sites : Paspale dilaté (une graminée C4 dominante) et Cynodon dactylon (une herbe C3 subordonnée).
Pour suivre exactement ce que chaque espèce faisait avec le carbone et l’azote pendant la sécheresse, nous avons collecté des monolithes de sol intacts avec les deux espèces de plantes cibles provenant de parcelles de sécheresse et de contrôle et les avons ramenés au laboratoire. Nous avons ensuite utilisé une technique de double marquage : nous avons nourri les plantes avec une impulsion de dioxyde de carbone isotopiquement « lourd » (¹³CO₂), ajouté une forme d’azote lourd (¹⁵N) au sol et suivi le mouvement des isotopes sur 24 heures – dans les pousses, les racines, le sol environnant et les microbes du sol.
L’espèce subordonnée entre dans la clandestinité
En cas de sécheresse, les espèces subordonnées ont poussé beaucoup plus de carbone dans le sol autour de leurs racines, tout en absorbant beaucoup plus d’azote que les espèces dominantes. Ces réponses combinées ont soutenu la plus grande résistance à la sécheresse des espèces subordonnées.
Nous avons également constaté que les espèces subordonnées approfondissaient leur partenariat avec les champignons mycorhiziens arbusculaires (AMF) – des champignons microscopiques qui colonisent les racines des plantes et aident à extraire les nutriments du sol en échange de carbone. En cas de sécheresse, l’herbe subordonnée a développé beaucoup plus de structures fongiques (arbuscules) à l’intérieur de ses racines, contrairement à l’espèce dominante. Il est particulièrement intéressant de constater que nous avons trouvé des concentrations similaires de carbone transférées au partenaire fongique chez les deux espèces, alors que les espèces subordonnées semblaient obtenir plus d’azote du sol. Cela peut suggérer un partenariat plus efficace ou plus favorable.
Qu’en est-il des microbes du sol ?
La communauté microbienne du sol a également réagi, quoique de manière plus subtile. Sous les espèces subordonnées, nous avons trouvé des abondances relatives légèrement plus élevées de groupes bactériens associés à la tolérance à la sécheresse et au cycle de l’azote. La communauté microbienne des espèces subordonnées a également modifié son activité enzymatique, investissant davantage dans la décomposition des composés organiques riches en carbone – un schéma typique des sols exposés à une sécheresse à long terme.
Pourquoi est-ce important ?
Les prairies couvrent tout autour 23% de la surface terrestre et sont essentiels au stockage du carbone et à la biodiversité. Alors que les sécheresses deviennent plus fréquentes et plus intenses en raison du changement climatique, il est de plus en plus urgent de comprendre quelles espèces et quels processus assurent le fonctionnement des écosystèmes de prairies.
Nos résultats suggèrent que les espèces subordonnées agissent comme stabilisatrices des processus du sol en période de sécheresse. Les espèces qui investissent plus de carbone dans le sol et obtiennent plus de nutriments en retour peuvent aider à maintenir les fonctions du sol – telles que la décomposition, le cycle des nutriments et le stockage du carbone – qui autrement faibliraient en cas de stress hydrique.
Notre étude n’a examiné que deux espèces, et des travaux supplémentaires sont nécessaires sur différents types de prairies et différents climats. Mais cela fournit une base mécanique expliquant pourquoi les espèces subordonnées sont importantes – et pourquoi la protection de la diversité végétale, y compris des espèces qui peuvent sembler anodines à première vue, pourrait être essentielle pour maintenir des prairies résilientes dans un avenir plus sec.
L’histoire derrière l’étude
Ce projet a débuté en 2016, lorsque cinq scientifiques en début de carrière, issus de pays différents et possédant des expertises complémentaires, travaillaient en même temps en Australie : Alberto (Italie), Pierre (France), Raúl (Espagne), Yolima (Colombie) et Barbara (Italie). Entre l’Université de Sydney et l’Université Western Sydney, nous avons réalisé que nous avions accès à deux expériences uniques sur la sécheresse et avons décidé d’unir nos forces.
Le travail lui-même était intense : de longues journées à collecter des carottes de sol sur le terrain, à préparer des expériences de marquage isotopique et à séparer soigneusement les pousses, les racines et le sol. Mais c’était aussi un de ces moments scientifiques où l’enthousiasme, la curiosité et l’amitié donnent naissance à des collaborations ludiques.
Peu de temps après la fin des expériences, nos chemins ont divergé alors que nous avons occupé de nouveaux postes de postdoctorants et de professeurs à travers le monde. Faire avancer le projet à travers les institutions et les continents n’a pas toujours été facile. Pourtant, dix ans plus tard, nous avons finalement publié l’étude dans le Journal of Ecology, rappelant que de bonnes collaborations peuvent durer bien au-delà de la saison de terrain qui les a initiées.
Photos du centre expérimental John Bruce Pye Farm, Université de Sydney. Sur la photo de gauche, de gauche à droite : Raul, Alberto, Yolima, Barbara (photo de Pierre Mariotte). Sur la deuxième photo (à droite), de gauche à droite : Pierre et Alberto (photo de Feike A. Dijkstra).