Caractérisation multi-échelle de la dynamique de croissance d’un réseau fongique : étude du champignon filamenteux Podospora anserina

Soutenance de thèse de Clara Ledoux : Caractérisation multi-échelle de la dynamique de croissance d’un réseau fongique : étude du champignon filamenteux Podospora anserina

Thèse co-dirigée par Florence Chapeland-Leclerc et Eric Herbert.

Résumés :

La forme végétative des champignons filamenteux est constituée par un réseau branchant
d’hyphes en croissance, le mycélium. Cette structure dynamique permet la croissance
optimale de l’organisme et sa reproduction. Le réseau mycélien est particulièrement efficace
pour l’exploration et l’exploitation de son environnement.
Dans cette étude, la dynamique de croissance en deux dimensions du champignon
filamenteux Podospora anserina a été caractérisée par une approche multi-échelle. À partir
d’un dispositif de microscopie en champ clair développé au laboratoire, nous obtenons une
collection d’images du mycélium, régulièrement réparties sur les 20 premières heures de
croissance à partir de la germination d’une ascospore. Les images couvrent l’intégralité de la
surface du mycélium (jusqu’à 1 cm), tout en conservant une résolution permettant de
distinguer individuellement les hyphes (5 μm).
L’analyse du réseau mycélien dans sa globalité s’appuie sur l’extraction de grandeurs
dynamiques caractéristiques du développement et de la complexité du réseau : longueur du
mycélium, nombre d’apex et de nœuds (connexions entre les hyphes), ou encore surfaces
délimitées par les hyphes. Ainsi, les profils de croissance de mycéliums résultant de conditions
de croissance variées (contraintes nutritives, lumineuses ou de température) ont été
précisément quantifiés. D’autre part, une analyse à l’échelle de l’hyphe (environ 5 μm) a
permis de caractériser les vitesses de croissance des apex, la répartition des branchements le
long de l’hyphe, et les interactions entre deux branches proches au sein du mycélium. Une
distinction claire entre hyphes latérales et apicales a pu ainsi être établie.
De plus, en nous appuyant sur une simulation du réseau mycélien de P. anserina sous la forme
d’un arbre binaire, et calibrée à partir des données expérimentales, nous montrons comment
le mycélium optimise extension et densification. Tout d’abord, la distribution observée des
angles de branchement apicaux correspond à la maximisation de l’extension radiale et
orthoradiale du thalle, tout en minimisant les chevauchements. Dans un deuxième temps,
nous montrons que les hyphes latérales maximisent l’exploitation du substrat par croissance
radiale de la densité en retard de phase avec le front d’exploration.
Enfin, des structures intracellulaires ont été observées par une approche de microscopie en
fluorescence. En particulier, la dynamique des noyaux, du Spitzenkörper, et la répartition des
septa chez P. anserina ont été analysées.
Mots-clés : Podospora anserina, mycélium, hyphe, apex, anastomose, réseau fongique, réseau
branchant, réseau en croissance, graphe, optimisation sous contraintes

Multiscale characterization of the growth dynamics of a fungal network:
study of the filamentous fungus Podospora anserina
The vegetative form of filamentous fungi is constituted by a branching network of growing
hyphae, the mycelium. This dynamical structure allows for the optimal growth and
reproduction of the organism. The mycelial network is particularly efficient for the
exploration and exploitation of its environment.
In this study, the two-dimensional growth dynamics of the filamentous fungus Podospora
anserina was characterized using a multiscale approach. From a bright field microscopy device
developed in the laboratory, we obtain a collection of images of the mycelium, evenly
distributed over the first 20 hours of growth from the germination of an ascospore. The
images cover the entire surface of the mycelium (up to 1 cm), while keeping a resolution
allowing us to distinguish individual hyphae (5 μm).
The analysis of the mycelial network as a whole was based on the extraction of dynamical
quantities which are characteristic of the development and the complexity of the network:
length of the mycelium, number of apexes and nodes (connections between hyphae), or
surfaces delimited by hyphae. The growth profiles of mycelia resulting from various growth
conditions (nutrient, light or temperature constraints) were precisely quantified. On the other
hand, an analysis at the hypha scale (about 5 μm) enabled us to characterize the growth rates
of the apexes, the distribution of branches along the hypha, and the interactions between two
close branches within the mycelium. A clear distinction between lateral and apical hyphae
could be established.
Furthermore, based on a simulation of the mycelial network of P. anserina in the form of a
binary tree, and calibrated from experimental data, we showed how the mycelium optimizes
extension and densification. First, the observed distribution of apical branching angles
corresponds to the maximization of radial and orthoradial extension of the thallus, while
minimizing overlaps. Second, we showed that lateral hyphae maximize substrate exploitation
by radial density growth lagging behind the exploration front.
Finally, intracellular structures were observed by a fluorescence microscopy approach. In
particular, the dynamics of the nuclei, the Spitzenkörper, and the distribution of septa in
P. anserina were analyzed.
Keywords: Podospora anserina, mycelium, hypha, apex, anastomosis, fungal network,
branching network, growing network, graph, constrained optimization