EEZY, un modèle sur l'implication des enzymes au cours de la décomposition des lignocelluloses

La compréhension des processus de décomposition des matières organiques des sols est essentielle à la gestion de nombreux services écosystémiques. Bien que les microorganismes jouent un rôle prépondérant dans les transformations des matières organiques du sol, de nombreux modèles de décomposition ne décrivent pas explicitement leurs actions. EEZY est un modèle qui a été développé spécifiquement pour décrire la production, l'activité et la perte d'enzymes extracellulaires lors de la décomposition de substrats organiques.

. © Inra, Gwenaelle Lashermes
Publié le 09/06/2016

Comment les microorganismes décomposent-ils les matières organiques ?

De nombreux travaux sont menés pour intégrer, dans les modèles environnementaux, une description des rôles des microorganismes plus cohérente avec les processus réels afin de les rendre plus adaptables à de nouvelles conditions environnementales. Certains modèles proposent des évolutions intéressantes en distinguant plusieurs groupes fonctionnels de microorganismes, en représentant leurs principales caractéristiques physiologiques et leurs affinités pour les substrats organiques en décomposition. Cependant, avant EEZY, peu de modèles mathématiques décrivaient explicitement l'action des enzymes extracellulaires produites par les microorganismes alors que ce sont les véritables agents de la décomposition. Les quelques modèles existants, essentiellement développés par des équipes de recherche américaines, étaient tous théoriques et très simplifiés.

Les matières organiques restituées au sol proviennent en grande partie des résidus de culture dans les parcelles cultivées, de la chute naturelle des litières aériennes et du recyclage des parties souterraines des plantes. La décomposition de ces substrats lignocellulosiques, incluant le recyclage de leurs éléments minéraux, mais également leur transformation et incorporation aux matières organiques persistant dans les sols sont des processus écologiques essentiels dont dépendent de nombreux services écosystémiques fournis par les sols (stockage de carbone, fertilité, résistance à l’érosion, réservoir de biodiversité pour la faune et la flore). Ces processus sont majoritairement microbiens et complexes, ce qui les rend difficiles à comprendre et modéliser.

Les scientifiques de l'unité mixte de recherche FARE de Reims ont donc conçu ce projet afin de proposer un modèle de décomposition des matières organiques représentant l’action de plusieurs enzymes extracellulaires clés au cours de la décomposition de substrats organiques de qualités chimiques différentes. Une première étape a permis la création d’un modèle théorique plus complet que les modèles existants, mettant explicitement en jeu des enzymes extracellulaires et de tester son fonctionnement et sa sensibilité. Une seconde étape a consisté à concevoir et réaliser des expérimentations afin d’obtenir un jeu de données adapté au paramétrage de ce type de modèle mécaniste. Pour cela, ils ont utilisé un microorganisme modèle, un champignon filamenteux, capable de produire une large gamme d’enzymes extracellulaires.

EEZY, un modèle mécaniste utilisé pour cibler les expérimentations

Ce projet a fait le pari que la représentation des "coûts énergétiques" engagés dans la production d'enzymes extracellulaires et le "retour sur investissement" dont bénéficient les microorganismes sont des contrôles clés de la décomposition. L'enjeu est de décrire la décomposition en se plaçant à l'échelle de communautés de microorganismes ayant une perception de leur environnement (disponibilité des ressources, conditions du milieu) et réagissant à cette perception de façon similaire.

Les jeux de données existants dans la littérature ne sont pas suffisamment complets pour servir de base au paramétrage du modèle créé. Certaines caractéristiques physiologiques des groupes fonctionnels, en particulier le rapport entre la croissance microbienne et les enzymes sécrétées, ne sont jamais renseignés. L’efficacité des enzymes sur leur substrat n’est également pas abordée. Les scientifiques ont donc conçu des expérimentations de croissance sur un résidu lignocellulosique pour un microorganisme modèle afin de déterminer ses caractéristiques physiologiques et métaboliques nécessaires au paramétrage du modèle. Ils ont choisi de travailler dans un système sans sol afin de concentrer leurs efforts sur la caractérisation du compartiment microbien dans un premier temps. Un champignon filamenteux, nommé Phanerochaete chrysosporium, considéré dans cette étude comme un microorganisme modèle et sélectionné pour sa capacité à produire une large gamme d’enzymes extracellulaires a été choisi. Les chercheurs ont étudié la croissance de Phanerochaete chrysosporium sur des substrats lignocellulosiques de qualités chimiques contrastées, des feuilles, tiges et racines de maïs et tiges de blé à 25°C pendant 84 à 126 jours. Ce champignon s’est développé sur l’ensemble des substrats et les scientifiques ont caractérisé simultanément, à des pas de temps réguliers et rapprochés : sa respiration, sa croissance, ses activités enzymatiques pour plusieurs classes d’enzymes clés (cellulases, hémicellulases, enzymes permettant l’acquisition de N, oxydatives) et l’évolution des propriétés chimiques du substrat subissant la dégradation.

A long terme, les chercheurs souhaitent complexifier progressivement le modèle EEZY. Ce projet a permis d’initier des collaborations internes au sein de l’UMR FARE, entre les thèmes de la biodégradation dans les sols et les biotechnologies des lignocelluloses, avec l’UMR BBF spécialiste de la microbiologie des champignons filamenteux, et aussi internationales avec des modélisateurs de la décomposition de l’Université de Toledo (États-Unis). Il a été couplé à un projet Bonus Qualité Recherche de l’URCA (Université de Reims), permettant d’identifier les modalités de colonisation et productions enzymatiques de souches fongiques sur des substrats lignocellulosiques.

En savoir plus

Moorhead, D.L., Lashermes, G., Sinsabaugh, R.L., 2012. A theoretical model of C- and N-acquiring exoenzyme activities, which balances microbial demands during decomposition. Soil Biology & Biochemistry, 53, 133-141.

A propos de

Ce projet et ces travaux de recherche font partis des paris scientifiques soutenus par le département EA.