LES SYMBIOTES CYANOBACTERIENS ONT EVOLUE AU CRETACE SUPERIEUR POUR SE SPECIALISER DANS LA FIXATION D’AZOTE AU SEIN DU PHYTOPLANCTON UNICELLULAIRE

© Nils Lola Reboud

Tara Oceans

Francisco M. Cornejo-Castillo, Ana M. Cabello, Guillem Salazar, Patricia Sánchez-Baracaldo, Gipsi Lima-Mendez, Pascal Hingamp, Adriana Alberti, Shinichi Sunagawa, Peer Bork, Colomban de Vargas, Jeroen Raes, Chris Bowler, Patrick Wincker, Jonathan P. Zehr, Josep M. Gasol, Ramon Massana & Silvia G. Acinas

Nature Communications 7,
Numéro d’article : 11071 (2016)
doi:10.1038/ncomms11071
Publié en ligne le 22 Mars 2016

Des chercheurs du Conseil Supérieur de la Recherche Scientifique (CSIC – Espagne), aux côtés de collègues de plusieurs institutions internationales, se sont penchés sur la caractérisation d’une relation singulière entre les micro-organismes planctoniques impliqués dans le cycle de l’azote marin. Cette relation de longue date a évolué il y a 90 millions d’années au Crétacé, à une époque où les océans mondiaux étaient carencés en nutriments.

Cette étude, utilisant les données de l’expédition Tara Oceans et partiellement réalisée dans le cadre du projet OCEANOMICS, est publiée dans Nature Communications

Communiqué de presse

L’azote est un composant essentiel des acides aminés constituant les protéines et des acides nucléiques, tels que l’ADN. Toutefois, alors que l’azote est extrêmement abondant dans l’atmosphère (jusqu’à 80%), la plupart des organismes ne peuvent le respirer et comptent sur les bactéries pour l’extraire de l’atmosphère et le transformer en azote bio-disponible que d’autres organismes de la chaîne alimentaire marine peuvent utiliser. La productivité primaire océanique n’aurait donc pas lieu en l’absence de ces bactéries fixatrices d’azote. Un groupe de bactéries photosynthétiques, appelées cyanobactéries, figurent parmi les microbes présentant cette capacité.

Une cyanobactérie insolite a récemment été découverte : un fixateur d’azote unicellulaire devenu incapable d’user de ses capacités photosynthétiques et désormais asservi par une cellule hôte plus complexe. Les nouveaux résultats ont révélé que le seul but de cette cyanobactérie, appelée UCYN-A, est de fournir de l’azote à son hôte, une algue prymnésiophyte unicellulaire, et que cet « événement asservissant » a eu lieu il y a près de 90 millions d’années, vers la fin du Crétacé, juste après un épisode paléo-océanographique pendant lequel est survenu le régime nutritif le plus bas des 500 derniers millions d’années.

« Le caractère obligatoire de cette symbiose, ainsi que la réduction du génome subie par UCYN-A et l’expression de leur contenu génomique, principalement axé sur la fixation de l’azote, suggèrent que nous sommes confrontés à un processus évolutif similaire à celui qui a conduit aux chloroplastes des plantes, à savoir la formation d’un organite d’origine bactérienne dont la fonction est de fournir de l’azote à son hôte », explique le premier auteur de l’étude, Francisco M. Cornejo-Castillo (CSIC, Espagne).

Cette recherche a des implications en biologie évolutive : elle décrit deux partenariats symbiotiques, formés par deux couples d’espèces « sœurs » de UCYN-A et de prymnésiophytes, ayant apparemment évolué parallèlement. Cette étude fournit des images provenant de microscopie à épifluorescence montrant la spécificité de ces deux systèmes symbiotiques dans lesquels la fidélité du partenaire pour chaque paire symbiotique est démontrée. Les cellules hôtes – les deux espèces de prymnésiophyte – sont susceptibles d’avoir constitué une barrière physique isolant l’ancêtre cyanobactérien des symbiotes UCYN-A et d’être à l’origine de nouvelles espèces de UCYN-A.

Dr Silvia G. Acinas (ICM-CSIC – Espagne), directrice de la présente étude, a déclaré : « Ces systèmes symbiotiques sont très importants dans les environnements océaniques du fait de leur distribution mondiale et de leur rôle majeur dans les cycles de l’azote et du carbone marins. »

Cette recherche a été rendue possible grâce aux jeux de données métagénomiques et métatranscriptomiques obtenus lors de l’expédition océanographique Tara Oceans.

Plusieurs laboratoires internationaux, incluant l’université de Bristol (Royaume-Uni), le VIB/VUB/KU de Leuven (Belgique), l’université Aix-Marseille (France), le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS – France), le Genoscope (France), le laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL – Allemagne) et l’université de Californie (États-Unis), ont participé à cette étude.

 

Résumé

La cyanobactérie unicellulaire UCYN-A, l’un des principaux contributeurs à la fixation de l’azote dans l’océan profond, vit en symbiose avec le phytoplancton unicellulaire. UCYN-A comprend plusieurs lignées étroitement liées dont la fidélité du partenaire, l’expression du génome entier et l’époque de divergence évolutive restent à explorer. Dans cette étude, nous identifions et distinguons les lignées UCYN-A1 et UCYN-A2 en symbiose avec deux partenaires prymnésiophytes distincts dans l’océan Atlantique Sud. Les deux systèmes symbiotiques témoignent d’une lignée spécifique et se différencient par le nombre de cellules UCYN-A impliquées. Nos analyses concluent à une expression simplifiée du génome en ce qui concerne la fixation d’azote dans les deux lignées UCYN-A. La génomique comparative révèle une importante sélection purificatrice au sein des cyanobactéries UCYN-A1 et UCYN-A2, couplée à un processus de diversification survenus il y a environ 91 millions d’années, à la fin du Crétacé, après une période de régime nutritif faible au cours du Jurassique. Ces résultats suggèrent que les symbiotes UCYN-A s’est diversifié par le biais d’un processus de co-évolution, au cours duquel leur partenaire prymnésiophyte ont agi comme une barrière conduisant à une spéciation allopatrique des lignées UCYN-A existantes.

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