Biologie et biotechnologie des champignons

Description

Domaine d’expertise :

Génétique Moléculaire, Biologie Moléculaire, Analyse des Génomes, Biochimie, Microscopie, Mycologie, Physiologie Fongique

Notre thématique en quelques mots…

Notre équipe étudie la façon dont les champignons interagissent avec leur environnement et notamment leur implication dans la santé des sols par le suivi de différentes propriétés physiologiques : la production de métabolites secondaires (compétition inter-organismes, antibiotiques), leur action dans le microbiome des sols, et aussi la mise en place d’un réseau d’hyphes interconnectées (ressource partagée, organisation intrinsèque). Nos recherches sont notamment réalisées sur le champignon filamenteux modèle Podospora anserina dont le cycle de développement est parfaitement maitrisé au laboratoire et qui présente un large panel d’outils utiles en génétique et cytologie.

I- Les métabolites secondaires fongiques

Notre équipe s’intéresse à une large famille de molécules produites notamment par les champignons et qui possèdent souvent des propriétés biologiques intéressantes, les métabolites secondaires. Ces molécules sont décrites traditionnellement comme dispensables à la croissance des organismes, par opposition aux métabolites primaires. Pour autant, ces produits sont utiles ! Ils sont à présent reconnus comme permettant une meilleure adaptation de ces organismes à leur environnement. Ces molécules, qu’elles soient produites par des bactéries, des plantes ou des champignons, suscitent un vif intérêt pharmaceutique, en effet une part importante des médicaments actuels dérivent de métabolites secondaires. Parmi ces médicaments, on pourrait citer de très nombreux antibiotiques, des anti-cancéreux ainsi que des traitements anti-rejets utilisés suite à des greffes d’organes. Les activités biologiques de ces molécules ne sont pas dues au hasard mais à un processus de sélection naturelle. Les organismes dans leur milieu naturel sont en constante compétition face à d’autres organismes, de la même espèce ou d’espèces différentes. L’organisme qui a la capacité de produire une substance lui conférant une meilleure adaptation (survie face aux prédateurs, résistance aux stress, meilleure croissance vis-à-vis des compétiteurs…) sera sélectionné. Depuis des décennies, ces molécules ainsi que leurs modes de biosynthèse sont donc étudiés chez les plantes et les bactéries, organismes connus pour produire une très grande variété de molécules afin d’identifier une nouvelle substance prometteuse. Chez les champignons, jusqu’à récemment, relativement peu de molécules avaient pu être mises en évidence à l’exception de quelques exemples célèbres telle la pénicilline produite par les moisissures du genre Penicillium. L’arrivée des nouvelles générations de séquençage a changé la donne, révélant que chaque génome de champignon filamenteux renferme des dizaines de clusters codant des métabolites secondaires. Ceci est finalement facilement compréhensible étant donné la présence ubiquitaire et massive des champignons dans les différents biotopes, ils participent donc à la compétition inter-organisme, « armés » eux aussi de leurs propres métabolites secondaires ! Si une partie importante de ces molécules ont des activités antibiotiques ou larvicides, d’autres peuvent lutter contre les effets des UV, de la dessiccation voire être impliquées dans la signalisation ou la communication entre cellules/organismes.

Notre premier objectif, fondamental, est de mieux comprendre le rôle de ces métabolites dans le cycle de vie du champignon P. anserina. Le deuxième objectif, plus appliqué, est d’explorer la régulation génétique et la diversité des métabolites secondaires chez P. anserina en vue d’identifier de nouvelles molécules et d’évaluer leur potentiel d’intérêt industriel, énergétique mais également thérapeutique.

Cet axe de recherche repose sur l’association interdisciplinaire d’une approche génomique et génétique (notre équipe) à une approche métabolomique : équipe Produit Naturel, Analyse et Synthèse (PNAS, Université Paris Descartes ; T. Gaslonde), équipe Chimiodiversité des Champignons Marins et Valorisations (ChiChaMVa, Université de Nantes ; C. Roullier et O. Grovel), équipe Chimie Organique et Interfaces (COrInt, Université de Rennes ; FH Porée) et équipe Chimie des Produits Naturels Fongiques (CPNF, Muséum National d’Histoire Naturelle ; S. Prado).

II- Réseau d’hyphes 

Une caractéristique originale des champignons filamenteux est leur organisation en réseau d’hyphes avec les possibilités de réaliser des branchements (la formation d’une seconde hyphe à partir d’une première) ou la fusion d’hyphes également appelée anastomose. La présence de pores entre cellules adjacentes d’une même hyphe permet une continuité cellulaire et donc la transmission de cytoplasme et d’organites cellulaires de proche en proche. Cette organisation permettrait d’optimiser la transmission de l’information et la gestion des réserves à l’échelle de l’organisme. Le réseau autorise, entre autres, une exploration optimale du milieu de croissance en permettant de traverser des zones peu propices au développement du vivant (absence d’eau ou de nutriments par exemple). Notre objectif est donc d’analyser la structure et la dynamique de croissance des réseaux fongiques soumis à des contraintes externes en vue de développer une modélisation prédictive.

Une caractéristique originale des champignons filamenteux est leur organisation en réseau d’hyphes (voir film et photo) avec les possibilités de réaliser des branchements (la formation d’une seconde hyphe à partir d’une première) ou la fusion d’hyphes également appelée anastomose. La présence de trous (ou pores) entre cellules adjacentes d’une même hyphe permet une continuité cellulaire et donc la transmission de cytoplasme et d’organites cellulaires de proche en proche. Cette organisation permettrait d’optimiser la transmission de l’information et la gestion des réserves à l’échelle de l’organisme. Le réseau autorise, entre autres, une exploration optimale du milieu de croissance en permettant de traverser des zones peu propices au développement du vivant (absence d’eau ou de nutriments par exemple).

Afin de mieux comprendre la mise en place du réseau chez P. anserina, nous définissons actuellement les spécificités de celui-ci et nous testons comment celles-ci sont affectées par des stress en condition de croissance. Pour cela, des collaborations interdisciplinaires au sein du LIED ont été mises en place afin de développer des outils de mesure quantitative au niveau de ce réseau, notamment au niveau de la détection des nœuds (embranchements), des apex et de la longueur totale du réseau, ainsi que d’autres paramètres comme la mesure des angles d’embranchements ou la répartition des surfaces intra-thalles. La modélisation au niveau des hyphes (approche micro) sera validée par la prédiction du comportement au niveau de l’organisme (approche macro). La transposition du modèle sera testée sur des réseaux non-biologiques afin de définir potentiellement des invariants. Cette approche nous permettra de disposer d’outils quantitatifs pour tester l’effet des conditions de croissance (i.e l’environnement) sur le réseau mycélien et son organisation. Parmi les conditions que l’on souhaite tester, il y a des stress abiotiques (stress thermique, salin, osmotique, mécanique ou la confrontation avec des organismes compétiteurs (champignons ou bactéries) en lien avec la production de métabolites secondaires.

Cet axe de recherche est porté via une association interdisciplinaire entre des biologistes (F. Chapeland-Leclerc et G. Ruprich-Robert / notre équipe), des physiciens du LIED (E. Herbert / équipe DYCO et P. David), une ingénieure CNRS/LIED en géomatique (C. Bobée), associé à des mathématiciens : Laboratoire JA Dieudonné (LJAD, Université de Nice Sophia Antipolis ; notamment Y. d’Angelo), Laboratoire de Mathématiques d’Orsay, LMO, Université Paris-Saclay ; A. Olivier) et Centre de Mathématiques Appliquées (CMAP, Ecole Polytechnique ; notamment A. Veber).

III- Autres sujets de recherche

Au sein du Lied nous participons également à d’autres projets interdisciplinaires, en lien avec les sciences sociales et humaines.

Méthanisation

Nous avons initié des travaux dans le domaine de la valorisation du processus de méthanisation selon plusieurs approches :

*Nous avons initié nos travaux dans ce domaine grâce à une collaboration avec l’APESA (Association pour l’Environnement et la Sécurité en Aquitaine) qui s’intéresse à des applications agronomiques en lien avec la valorisation du biochar. Il s’agit d’un vecteur énergétique et d’un matériau hautement carboné. Nous étudions en particulier comment améliorer la biodisponibilité du phosphore présent dans ces biochars, pour les plantes, en utilisant des agents fongiques.

*Nous avons également initié un projet de recherche concernant la mise au point de procédés de prétraitement de la biomasse permettant d’augmenter le pouvoir méthanogène des déchets, notamment grâce aux champignons qui ont des capacités à dégrader la lignocellulose.

*Il est également prévu de mieux comprendre l’impact de l’utilisation des résidus issus des unités de méthanisation sur la santé et la biodiversité des sols, notamment suite à l’épandage de digestat.

*Enfin, nous allons étudier les procédés de post-traitement permettant de réduire les risques de pollution liés à l’emploi de digestat et développer des valorisations alternatives du digestat (i.e. transformation en biochar par pyrolyse).

Nous faisons ainsi partie du réseau MetSHS.

 

Collaborations : Biologistes au LIED (F. Chapeland-Leclerc et G. Ruprich-Robert / notre équipe et S. Brun) ; APESA (Association pour l’Environnement et la Sécurité en Aquitaine ; Florian Monlau) ; économistes au LIED (S. Issehnane), au LADYSS (Université Paris Diderot ; P. Grouiez) et à l’Université de Rennes (A. Berthe) ; géographe au LIED (N. Delbart) ; chimiste à l’IPGP (F. Prévôt).

 

Impacts Socio-environnementaux des nouvelles pratiques Agraires au nord Bénin

Nous participons également à un projet visant à mener une étude des systèmes agricoles du nord du Bénin en termes de durabilité de ces systèmes sur le plan environnemental, sanitaire et socio-économique. Ce projet est porté par P. Chatzimpiros (socio-écologue au LIED). Les recherches proposées se décomposent en deux volets. Le premier concerne le diagnostic : l’étude se déroulera à l’échelle micro-régionale au niveau des deux communes, représentatives de deux états contrastés de systèmes agricoles du nord Bénin. Outre un état du couvert végétal, des prélèvements de sols et d’eau seront réalisés in situ pour être analysés en laboratoire. En parallèle, un suivi par télédétection des dynamiques de végétation offrira une vision régionale et à plus long terme des changements de pratiques survenus au cours de ces 20 dernières années. A l’échelle des finages villageois des deux communes cibles, une réflexion sera menée sur les pratiques agro-écologiques ; elle se basera sur des enquêtes participatives auprès des villageois qui viseront à coupler les résultats des analyses bio-physicochimiques avec la perception des changements en cours et les stratégies adoptées face à ces changements. Le second volet vise à proposer des solutions pour la gestion des sols agricoles et des alternatives à l’emploi de pesticides, mais également pour améliorer la santé des populations touchées par la pollution des eaux. En effet, l’analyse des échantillons de sols et la détection des phytopathogènes permettront de dresser un état de la santé des sols, et de faire des propositions concertées de mutations des pratiques agricoles. D’autre part, dans les territoires fortement impactés par la pollution des eaux (cf. diagnostic), l’analyse des enquêtes participatives auprès des villageois aideront à déterminer les lieux cibles où, d’une part, l’accès à l’eau, et en particulier à l’accès à l’eau potable, est un véritable problème et où, d’autre part, l’acceptabilité sociale pour l’implantation d’une technologie innovante (technologie déjà implantée dans d’autres régions du monde par les chercheur du projet) pour pallier ce problème est forte.

Collaborations : Biologistes au LIED (F. Chapeland-Leclerc et G. Ruprich-Robert / notre équipe et R. Ferrari) ; Ingénieure CNRS/LIED en géomatique (C. Bobée) ; géographes au LIED (R. Houesse et C. Mering) et à Université Paris 13  (équipe Pléiade ;F. Alexandre); physiciens au LIED (L. Royon) ; chimiste à l’IPGP (Biogéochimie environnementale ; F. Prévôt).

Coordinateur

Florence Chapeland-Leclerc (MCF-HDR)

Membres

Hervé Lalucque (MCF)

Gwenaël Ruprich-Robert (MCF-HDR)

Sylvie Cangemi (ADT)

Financements

*Bourse Labex Mathématique Hadamard (2018) : accueil pendant 6 mois d’une mathématicienne dans l’équipe.

*CNRS Défi Modélisation du Vivant (2019) 10 000 euros

*Financement APESA (2019) 16 000 euros

*Idex AAP Emergence « Hyphae Wide Web » (2020) 30 000 euros

Doctorants dans l'équipe

Clara Ledoux (bourse doctorale MTCI, 2019-2022/co-direction B2C/DYCO: F. Chapeland-Leclerc/E. Herbert)

Ling Shen (bourse CSC, 2016-2020/co-direction : F. Chapeland-Leclerc/G. Ruprich-Robert)

Huijuan WANG (bourse CSC, 2019-2023/co-direction : F. Chapeland-Leclerc/G. Ruprich-Robert)