La ballistosporie

2024-10-07

L’éjection des spores des hyménomycètes

Introduction

On appelle ballistosporie le mécanisme de catapulte par lequel les spores des Hyménomycètes s’éjectent du stérigmate.

Le vingtième siècle, de Buller (1909) à Turner (1991) en passant par Clémençon et Webster, a vu s’élucider la nature de ce mécanisme.

Deux gouttes liquidiennes présentes sur la surface de la spore fusionnent et libèrent l’énergie nécessaire à l’éjection. Cette énergie doit être suffisante pour expulser la spore et briser le lien qui l’unit au stérigmate.

L’évolution a amené les différents champignons à adapter l’expulsion des spores à leur morphologie : grosseur et forme de la spore, longueur de l’apicule, distance entre les lames, force qui lie la spore au stérigmate, etc.

Cet article présente un résumé, nécessairement incomplet, la recherche se poursuivant toujours, de différentes facettes de la ballistosporie à la lumière des travaux récents.

Un peu d’histoire

Déjà, en 1889, Fayod décrivait la goutte apiculaire de la façon suivante :

« D’après mes observations sur le Galera tenera, il me paraît plus que probable que la pointe du stérigmate ne se perfore pas. J’ai vu très distinctement que le jet de liquide qui paraît projeter la spore provient non pas directement de l’intérieur du stérigmate, mais d’une goutte d’eau que l’on voit se former à la base du hile et disparaître lorsqu’elle a atteint une certaine grosseur, parce qu’elle arrive à toucher l’exospore qui est humide et qu’elle se répand à la surface de la spore opposée à l’observateur. Fayod, V. (1889). Prodrome d’une histoire naturelle des Agaricinés. -Ann. Sci. Nat. Bot. VII : 9, p.272 »

Par la suite, et pendant tout le début du 20e siècle, Buller a été le principal artisan des travaux sur le mécanisme d’éjection des spores. Il a publié une série de 6 volumes intitulés Researches on Fungi entre 1909 et 1950.

En 1922, il en était venu à la conclusion que la tension de surface devait être à la source du mécanisme d’éjection des spores :

« Il se peut que la force de la tension de surface soit utilisée d’une certaine manière pour provoquer l’éjection des spores; mais je ne peux pas l’expliquer de manière satisfaisante. Il se peut que nous ayons affaire à un mécanisme entièrement nouveau impliqué dans le processus de libération des spores chez les hyménomycètes qui, une fois correctement élucidé, se révélera du plus haut intérêt et montrera une fois de plus comment les organismes sont capables de se servir des forces de la nature pour assurer leur survie. » Buller, AHR. (1922) Researches on fungi, vol. 2, p.26. (traduction personnelle)

Quelques années plus tard, Ingold, à partir des travaux de Buller sur « Psalliota campestris » a évalué que la différence d’énergie produite par la tension de surface de la goutte initiale et de la goutte fusionnée résiduelle était sept fois supérieure à l’énergie nécessaire pour rendre compte de la vitesse d’éjection initiale de la spore, mais que malgré cette énergie disponible, il ne voyait pas comment cette énergie pouvait être utilisée pour produire l’éjection des spores. [Ingold, C.T. 1939, p.85-86]

En 1977, Clémençon s’appuyant sur des observations faites par Niel et al. 1972, a postulé que les spores s’éjectent d’elles-mêmes sans l’aide active du stérigmate ou de la baside. [Clémençon, H. (1977), p.372]

Plus tard, Webster et al. ont commencé à résoudre le mécanisme d’éjection des ballistospores [Webster et al. 1984a, 1984b, 1988] et dans les années 1990, des chercheurs [Turner et al. 1991] ont proposé un modèle mathématique décrivant ce mécanisme d’éjection.

Dans les années 2000, l’arrivée de caméras vidéo ultrarapides, prenant jusqu’à 250 000 images par seconde, a permis de visualiser l’éjection des ballistospores et d’évaluer leur vitesse d’éjection [Noblin et al. 2009].

En 2010, Fischer et al., ont calculé la force de tension superficielle nécessaire pour détacher la spore du stérigmate.

Plus récemment, des chercheurs ont confirmé et précisé les observations antérieures sur l’énergie libérée par la fusion des gouttes apiculaire et adaxiale [Béguinot 2011, Chen 2017, Iapichino 2021].

La ballistosporie

Le mécanisme d’éjection des ballistospores se déroule comme suit :

1- Après une période de stabilité plus ou moins longue, une goutte liquidienne appelée goutte de Buller, se forme à l’extrémité de l’apicule au niveau d’un site appelé punctum lacrymans [Hugueney 1972], par condensation de l’air ambiant [Webster et al. 1989]. La goutte se dilate très rapidement, se déplace et fusionne avec une autre goutte située sur la paroi interne de la spore, appelée goutte adaxiale, provoquant une redistribution rapide de la masse. La fusion se fait en moins de 4 µs [Noblin et al., 2009]. Webster et al. 1995 ont détecté la présence de mannitol et d’hexoses dans des gouttes de Buller en concentration suffisantes pour expliquer la vitesse d’expansion des gouttes par condensation.

2- La nouvelle goutte fusionnée se déplace vers l’apex de la basidiospore où elle s’arrête brusquement libérant de l’énergie cinétique qui est transférée à la spore et lui donne une impulsion en direction opposée au stérigmate [Chen 2017, Iapichino 2021]. La position asymétrique de la goutte fusionnée au moment de l’éjection imprime à la spore un mouvement de rotation sur elle-même; comme la distance d’éjection de la spore est surtout influencée par la viscosité de l’air, la rotation a peu d’effet sur sa distance parcourue [Liu et al.. 2017].

3- Lorsque la goutte de Buller fusionne avec la goutte adaxiale, les deux gouttes perdent de la surface et libèrent de l’énergie de surface qui, convertie en énergie cinétique, projette la spore avec une fantastique accélération d’environ 10 000 g [Béguinot 2011, Chen 2017]

4- L’énergie cinétique totale disponible doit être adaptée à la distance que la spore doit parcourir et doit aussi dépasser le seuil de rupture de la connexion spore-stérigmate située au niveau du hile [Noblin et al., 2009].

La taille de la goutte

Chez les champignons lamellaires et les polypores, la vitesse d’éjection de la spore et la distance qu’elle doit parcourir sont ajustées à l’espacement entre les lames ou le diamètre des tubes [Fischer et Money 2010, Iapichino et al., 2021]. Ces deux paramètres, la vitesse d’éjection et la distance parcourue, sont reliés à la morphologie des spores et à la taille des gouttes de Buller et adaxiale.

1- Les grosses spores ayant plus d’énergie cinétique que les petites décélèrent plus lentement après leur éjection et vont donc plus loin.

2- La tension de surface augmentant avec le rayon d’une goutte liquidienne, les plus grosses gouttes fournissent plus d’énergie cinétique à la spore lors de son éjection, elle est donc projetée plus loin.

3- Un long apicule éloigne la goutte apiculaire de la goutte adaxiale, ce qui allonge le temps pendant lequel les deux gouttes augmentent de volume avant de fusionner, augmentant leur énergie de surface.

En résumé, les grosses spores avec de grosses gouttes s’éjectent plus loin que les petites spores avec de petites gouttes.

La vitesse d’éjection

Au début des années 1990, travaillant avec le champignon Itersonilia perplexans,Turner J. et Webster J. (1991) avaient estimé que la vitesse d’éjection initiale d’une ballistospore devait être de l’ordre de 100 cm/s et parcourir environ 0,1 cm avant de s’arrêter, ce qui exige une accélération de près de 25 000 g.

Dans les années 2000, l’arrivée de caméras vidéo ultrarapides, prenant jusqu’à 250 000 images en quelques secondes, a permis de visualiser l’éjection des ballistospores et d’évaluer leur vitesse d’éjection qui varie de 10 cm/s à 180 cm/s [Fischer et al. 2010]. Ces résultats ont confirmé les travaux antérieurs de Turner J. et Webster J. (1991).

La distance d’éjection et l’espace interlamellaire

Les spores parcourent des distances allant de 0.04 mm (40 µm) à 1.26 mm (1260 µm), ce qui correspond approximativement à entre 10 et 60 fois la longueur des spores [Fischer et al. 2010]. La taille des spores varie d’une espèce à l’autre, mais sur un même basidiome elles varient très peu que ce soit près du pied ou de la marge du chapeau. De plus, la distance interlamellaire moyenne demeure à peu près constante du pied à la marge du chapeau sur le même basidiome. Lorsque deux lames divergent en s’éloignant du pied, des lamellules primaires et même secondaires apparaissent pour garder la distance interlamellaire constante [Iapichino et al. 2021].

Pour éviter que les spores éjectées n’entrent en contact avec la surface de la lame adjacente, le mécanisme d’éjection doit être adapté pour que les spores se projettent en moyenne à la moitié de la distance interlamellaire.

Iapichino et al. 2021, ont remarqué une relation entre la distance interlamellaire, le rayon de la goutte de Buller et celui de la spore. Leur recherche suggère que les champignons, pour produire le plus grand nombre possible de spores avec une quantité minimale de biomasse doivent fabriquer des gouttes de Buller dont le volume est égal au volume de la spore et sa taille linéaire environ égale à la moitié de celle de la spore.

La séparation de la spore et du stérigmate

Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer comment la spore parvient à s’éjecter en brisant le lien qui l’unit au stérigmate

– Expulsion sous pression d’une bulle de liquide émanant du stérigmate ou éclatement soudain d’une double membrane séparant la spore et le stérigmate. Les membranes se gonflent en se pressant l’une contre l’autre jusqu’à l’éclatement qui provoque l’éjection de la spore. [Buller, AHR. (1909) Researches on fungi, vol. 1, p.151]

– Explosion de la gouttelette qui contient principalement du CO₂ stocké sous forme de bicarbonate et qui explose soudainement par acidification en expulsant la spore. [Olive L. S. 1964, cité par Niel van, C.B. 1972, p.129]

– Éclatement d’une bulle de gaz ou d’une tumescence à l’apex du stérigmate. [Ingold 1971, cité par Pringle et al. 2005, p.866]

– Étalement d’une goutte liquidienne sur toute la surface de la spore lui procurant, ainsi qu’au stérigmate, une charge électrique négative et créant une répulsion électrostatique entre la spore et le stérigmate provoquant l’éjection de la spore. [Webster et al. 1984a, p.26]

– Une dissolution enzymatique de polymères dans le septum. [Money, N. P. 2023, p.839]

Avec son expansion, le poids de la goutte de Buller devrait faire basculer la spore vers l’intérieur de la baside. La surface du hile subirait alors des tensions de compression vers l’intérieur et d’extension vers l’extérieur et ceci pourrait contribuer à son affaiblissement.

Il semble que la cause exacte de l’affaiblissement de la jonction spore-stérigmate ne soit pas encore identifiée.

Actuellement, les mycologues favorisent un mécanisme appelé « catapulte de tension de surface » qui inclut un déplacement du centre de masse de la spore causé par la fusion de la goutte de Buller et de la goutte adaxiale comme expliqué plus haut.

L’affaiblissement du hile

Des micromanipulations ont démontré que la jonction spore-stérigmate appelée « hile » est affaiblie quelques secondes avant la formation de la goutte de Buller, réduisant la force nécessaire pour rompre ce lien au moment de l’éjection de la spore.

[Noblin et al. 2009]. Sans cet affaiblissement actif du hile, une force trois fois supérieure à la force produite par la tension de surface serait nécessaire pour détacher la spore du stérigmate, ce qui rendrait l’éjection de la spore impossible [Fischer, M. W. Stolze-Rybezynski 2010].

Noblin et al. (2009) ont mesuré la force nécessaire pour briser le lien spore-stérigmate chez Auricularia auricula avant et après l’éjection de la spore à l’aide d’un ingénieux dispositif expérimental utilisant des micropipettes flexibles. Dans ce dispositif, la pointe d’une micropipette est déposée sur l’apex de la spore à laquelle elle adhère grâce à la tension de surface entre la pipette et la spore. Tôt dans le processus d’éjection, l’application sur la pipette d’une force allant jusqu’à 4,8 μN a été nécessaire pour séparer la spore du stérigmate alors qu’immédiatement avant l’éjection il n’a fallu que 0,1 μN, soit une réduction de 98 %. Ce n’est donc qu’environ 4% de l’énergie cinétique fournie pas la fusion des gouttes qui est utilisée pour rompre la connexion spore-stérigmate [Noblin, X. et al. 2009].

Le synchronisme de l’éjection des spores

Sachant qu’un champignon peut libérer des millions de spores chaque heure, l’éjection des spores exige un synchronisme strict de la maturation de chaque spore.

Une fois que le passage du cytoplasme de la baside vers la spore est terminé et que les bouchons apiculaire et stérigmatique se sont formés, une zone d’abscission se développe au niveau du hile en même temps que la goutte apiculaire se développe.La goutte apiculaire pouvant atteindre à maturité un volume presque égal au volume de la spore, si toutes les gouttes présentes sur une baside se développent en même temps, elles risquent d’entrer en contact et de compromettre la fusion des gouttes et toute la dynamique de l’éjection. La situation est particulièrement complexe avec une baside tétrasporée. Buller (1922) a bien illustré la séquence d’éjection des quatre spores de Psalliota campestris :

Fig. 5 – Psalliota campestris. Représentation schématique montrant l’éjection de quatre spores en succession rapide à partir d’une baside vue d’en haut. Les cercles en pointillés indiquent la position des spores qui ont été éjectées. Les spores sont éjectées dans l’ordre selon leur numéro 1, 2, 3 et 4. Les temps de chaque étape, en prenant l’étape A comme zéro sur l’échelle de temps, sont approximativement les suivants : B, 2 secondes; C, 7 secondes; D, 7 secondes; E, 10 secondes; F, 10 secondes; G, 13 secondes; H, 13 secondes; I, 16 secondes; et J, 16 secondes. Ainsi, toutes les spores sont éjectées en environ 15 secondes; mais l’éjection est rarement aussi rapide que cela. Grossissement, 1 320. Croquis et texte tirés de Buller, AHR. (1922) Researches on fungi, vol. 2, p.13. (Traduction personnelle)

Conclusion

Cette courte révision du mécanisme de la ballistosporie est évidemment incomplète et ne rend pas hommage à tous ces chercheurs qui ont fait preuve de persévérance et d’ingéniosité depuis Buller et ses prédécesseurs et successeurs. Le processus responsable de la ballistosporie appelé « catapulte de tension de surface » a mis plus de cent ans à être résolu et il reste encore bien des inconnus. Les recherches se poursuivent, elles sont passionnantes et n’ont pas fini de nous surprendre.

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