Les sols contiennent plus de carbone que l’atmosphère et la végétation réunies, mais leur rôle futur dans le changement climatique reste très incertain. Les modèles actuels du système Terre peinent à prédire si les sols agiront comme puits ou sources de carbone, en grande partie parce qu’ils ne représentent pas les microbes — pourtant moteurs de la décomposition et du stockage du carbone. Les modèles microbiens constituent une piste prometteuse, mais leur développement est freiné par un manque de données pour calibrer les paramètres microbiens, leur diversité et leur capacité d’adaptation au changement environnemental.
Le projet GAMEchange vise à lever ce verrou en exploitant l’essor des données génomiques microbiennes pour construire une nouvelle génération de modèles biogéochimiques intégrant explicitement l’adaptation microbienne au changement global. En combinant génomique, théorie éco-évolutive, modélisation microbienne et apprentissage automatique, GAMEchange relie les processus microbiens microscopiques aux projections climatiques globales. L’objectif est de déterminer où, quand et dans quelle mesure l’évolution microbienne modifie les trajectoires futures du carbone du sol, et de poser les bases d’une représentation plus réaliste des rétroactions sol–climat dans les modèles du système Terre.
Le projet est structuré en quatre axes scientifiques (WPs) :
THEORIE
adaptation microbienne
données génomiques
APPLICATION
évolution des stocks de carbone
modèles biogéochimique + IA
WP1
A quelle vitesse les microbes s’adaptent-ils ?
Les réponses microbiennes au réchauffement, à la sécheresse ou à la modification des nutriments résultent de processus éco-évolutifs se produisant simultanément. La théorie prédit que l’évolution, les changements de démographie et la dispersion peuvent mener à des trajectoires d’adaptation distinctes — mais nous ne savons pas encore si cela se vérifie dans les écosystèmes naturels. À quelle vitesse les microbes du sol s’adaptent-ils au changement environnemental, et les différents mécanismes d’adaptation (démographie, évolution, dispersion) conduisent-ils à des réponses fonctionnelles différentes ?
- quelles sont les valeurs finales des traits de réponse (sensibilité à l’environnement) et d’effet (impact sur l’écosystème) à quelle vitesse ?
- quels sont les mécanismes d’adaptation (démographie, mutation, migrants) à l’œuvre ?
évolution génétique
changement de démographie
dispersion
Approche
Nous analyserons des séries temporelles génomiques microbiennes issues d’expériences de changement global.
séries temporelles génomiques microbiennes
WP2
Comment simplifier la diversité microbienne ?
Les taxons microbiens peuvent être partiellement redondants, mais de nombreuses études montrent que la composition des communautés influence fortement la décomposition et la dynamique du carbone du sol. Comment réduire la diversité gigantesque des sols (environ un million d’espèces par gramme) en un nombre gérable de stratégies écologiques utiles pour prédire les réponses biogéochimiques ?
résistance à la sécheresse
adaptation au réchauffement
capacité de dégradation du carbone
capacité de dégradation de l’azote
Approche
Nous traduirons un jeu de données génomiques microbiennes globales en traits fonctionnels, puis utiliserons des méthodes d’apprentissage automatique pour identifier des stratégies écologiques centrales qui structurent les microbiomes des sols à l’échelle mondiale.
WP3
Comment l’adaptation microbienne modifie-t-elle les flux de carbone du sol ?
L’objectif est de déterminer comment les changements de traits microbiens, induits par l’adaptation, modifient les flux de carbone du sol sous changement global.
Approche
Nous utiliserons un modèle microbien microscopique basé sur les processus pour simuler l’évolution des communautés et quantifier son influence sur les cycles du carbone, de l’azote et du phosphore. Le modèle sera paramétré avec les données des WP1 et WP2 et évalué à l’aide de données biogéochimiques (C, N) historiques.
WP4
Intégrer l’adaptation microbienne dans les modèles du système Terre ?
L’objectif est d‘intégrer l’adaptation microbienne dans un modèle global de surface terrestre et quantifier son impact sur les rétroactions sol–carbone–climat.
Approche
Nous développerons un émulateur IA computationnellement efficace du modèle microscopique, que nous couplerons ensuite au modèle ORCHIDEE, composante terrestre du système Terre de l’IPSL. Cela nous permettra de :
- comparer des scénarios avec et sans adaptation microbienne
- identifier les régions où le carbone du sol est le plus sensible à l’évolution microbienne
- évaluer les conséquences pour les projections climatiques du XXIe siècle
