Ce qui se cache sous la surface : les éléments constitutifs de la vie

© Sébastien Colin/Institut Max Planck de biologie du développement, Tübingen

L’analyse de plus de 2 millions d’images a permis de mieux comprendre les microbes qui se trouvent dans les océans et de mettre en lumière la répartition des fixateurs d’azote au niveau mondial.

Forme allongée avec deux trous et des points de couleur à l'intérieur, représentant des cellules de phytoplancton et des bactéries fixatrices d'azote.

Chaîne de cellules de diatomées (phytoplancton) avec des bactéries symbiotiques fixatrices d’azote à l’intérieur de chaque cellule.
© Sébastien Colin/Institut Max Planck de biologie du développement, Tübingen.

L’azote est l’un des principaux éléments constitutifs de la vie. Il compose 80 % de l’atmosphère terrestre et est connu comme étant l’un des principaux nutriments limitant la croissance des plantes terrestres et marines. En effet, la forme la plus abondante de l’azote – le diazote, ou N2 – est particulièrement stable et résistante aux réactions chimiques, ce qui signifie que la plupart des organismes ne peuvent pas l’assimiler. Mais étant donné le rôle important que joue l’azote pour toute matière vivante, les microbes capables de “fixer” le N2 atmosphérique en des formes plus accessibles pour les organismes sont des éléments importants pour les écosystèmes terrestres.

Une meilleure connaissance des fixateurs d’azote marins procure des informations essentielles

Les fixateurs d’azote, également appelés diazotrophes, sont les engrais de la nature. Sur terre, plus de 90 % de la fixation de l’azote est rendue possible grâce à des bactéries vivant en symbiose avec un groupe composé de différents types de plantes. Ces systèmes ont été étudiés en détail, notamment du fait de l’importance de ce processus pour l’agriculture moderne. Cependant, la fixation de l’azote est toute aussi essentielle dans les océans que sur terre, mais elle reste beaucoup moins bien comprise dans ces écosystèmes. L’azote est pourtant un facteur clé de la dynamique du plancton, et par conséquent des cycles biogéochimiques et du climat au niveau planétaire. En se faisant une idée plus précise des fixateurs d’azote présents dans l’océan, les scientifiques peuvent obtenir des informations précieuses sur les écosystèmes qui soumis aux changements anthropiques.

Les fixateurs d’azote marins sont de formes et de tailles très différentes, ce qui peut les rendre difficiles à collecter et à étudier. Il existe également un défi plus évident : l’immensité de l’océan ! “C’est là qu’interviennent la Fondation Tara Océan[1] et d’autres projets connexes, qui portent sur l’échantillonnage des communautés de planctons marins dans tous les océans du monde, et ceci à une échelle sans précédent”, note Chris Bowler, chercheur CNRS à l’Institut de Biologie de I’École Normale Supérieure (IBENS)[2] à Paris, et co-auteur d’un nouvel article qui met en lumière les travaux réalisés grâce à une collaboration scientifique internationale sur ce sujet.

Échantillonnage et analyse à grande échelle

Dans leur étude, publiée dans Nature Communications, les chercheurs se sont penchés sur la distribution mondiale des fixateurs d’azote marins. En travaillant à partir de plus de 2 millions d’images, générées par l’expédition Tara Océans de 2009 à 2013, les équipes ont considérablement enrichi les connaissances sur l’abondance, la diversité et la distribution des fixateurs d’azote dans l’océan. La goélette Tara, destinée à la recherche scientifique, a parcouru 140 000 km sur une période de 38 mois, à travers les principales régions océaniques. Pendant cette période, les scientifiques à bord ont régulièrement collecté des échantillons de planctons de toutes tailles, ainsi que des données sur l’environnement dans lequel ils se trouvaient.

À partir des données recueillies, les chercheurs ont utilisé des outils de prédiction par apprentissage automatique (machine learning) pour analyser plus de deux millions d’images en les combinant avec les données de séquençage d’ADN. “Il s’agit de l’une des toutes premières analyses à haut débit et à grande échelle d’organismes microbiens dans leur environnement naturel qui croisent des données omiques, c’est à dire des informations sur leur génome, et des données d’imagerie, qui permettent de révéler leur forme et leur taille. Ceci ouvre la voie à une nouvelle ère pour les études environnementales », précise Eric Pelletier, du Centre national de séquençage français, CEA/Genoscope, et co-auteur de l’étude.

Cette publication illustre le pouvoir de la recherche collaborative, et souligne la portée de ce qui peut être étudié en utilisant les toutes dernières technologies. La Plateforme de Microscopie optique de Pointe de l’EMBL a joué un rôle central dans ce projet. Rainer Pepperkok, co-auteur et directeur des Plateformes technologiques et Services scientifiques de l’EMBL, souligne l’importance de cet équipement pour les études à venir : “La technologie de microscopie optique 3D à haut débit et à haute résolution, mise au point en collaboration avec l’ALMF et les scientifiques du consortium TARA, a joué un rôle central dans ces travaux. C’est la condition préalable qui a permis l’acquisition de millions d’images à haute résolution de ces échantillons marins. C’est une ressource incroyablement précieuse, elle a permis de réaliser par la suite des analyses complètes qui ont été documentées dans cet article. Nous allons continuer à développer cette approche de plusieurs manières, afin d’arriver à une analyse encore plus poussée dans nos prochaines études.”

Rachel Foster de l’Université de Stockholm, et co-auteur principal de l’étude, ajoute : “J’ai été surprise au début par la façon dont les images prédisent les gènes et comment les gènes peuvent aussi prédire les images. Le plancton est naturellement fragmenté donc l’échantillonnage de ces irrégularités est difficile. Les ensembles de données d’imagerie à haut débit ont été déterminants dans notre travail. Nous avons obtenu des informations essentielles sur l’écologie de ces populations, qui sont importantes sur le plan biogéochimique.”
Comprendre les changements anthropiques

En plus de contribuer à obtenir une image beaucoup plus complète que celle qui existait auparavant, la recherche a détecté de nombreuses nouvelles zones sensibles (hotspots) dans des régions océaniques peu étudiées, où de multiples fixateurs d’azote semblent coexister. L’auteur principal de l’étude, Juan Pierella Karlusich, de l’Institut de Biologie de l’Ecole normale supérieure (IBENS), commente : “Ces résultats feront progresser le domaine de la recherche en attirant l’attention sur ces nouvelles régions à haute densité et sur les nouveaux types de fixateurs d’azote. Nous avons été très surpris, par exemple, de découvrir un nombre important de très petites bactéries qui semblent capables de fixer l’azote, ainsi que d’autres associations symbiotiques que l’on ne trouvait auparavant que dans des environnements d’eau douce.”

Si ce travail offre un aperçu sur la distribution des fixateurs d’azote au niveau mondial, il fournit également une démonstration de faisabilité (proof of concept) selon laquelle les analyses intégratives de données moléculaires et d’imagerie peuvent conduire à des explorations plus précises sur les microbes océaniques. Ces explorations fournissent des informations précieuses sur des facteurs tels que le climat et la manière dont les écosystèmes sont affectés par l’impact de l’activité humaine.

 

[1] La Fondation Tara Océan est une organisation française à but non lucratif qui soutient l’exploration de la recherche océanique, la sensibilisation, l’éducation et le plaidoyer pour un océan plus prospère.

[2] L’Institut de Biologie de l’École Normale Supérieure est géré conjointement par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), l’École Normale Supérieure (ENS-PSL) et l’INSERM.