Les chercheurs ont découvert que l'espèce de cyanobactérie UCYN-A, en relation symbiotique avec les algues marines, présente des caractéristiques d'évolution vers des organites fixateurs d'azote. Cette percée suggère une nouvelle perspective sur les premiers stades de l’évolution des organites et le potentiel de progrès significatifs dans la compréhension de l’évolution cellulaire.
L'azote est un nutriment essentiel à toute vie sur Terre. Malgré l’abondance d’azote gazeux (N2) dans l’atmosphère, il reste largement inaccessible à de nombreuses formes de vie jusqu’à ce qu’il soit fixé. Ce processus vital transforme le diazote en ammonium, une source importante d'azote inorganique.
Bien qu'il existe des bactéries capables de réduire le diazote en ammonium, des chercheurs de l'Université de Rhode Island, de l'Institut de Sciences del Mar de Barcelone, de l'Université de Californie à Santa Cruz et du Massachusetts Institute of Technology ont découvert des organismes symbiotiques fixateurs d'azote présentant comportements similaires aux organites. En fait, les chercheurs postulent que ces organismes symbiotiques – UCYN-A, un espèces des cyanobactéries – peuvent évoluer vers des caractéristiques semblables à celles d’un organite. Leur étude a été récemment publiée dans la revue Cellule.
Relation symbiotique et ses implications
UCYN-A vit en relation symbiotique avec un groupe d'algues marines étroitement apparentées, B. bigelowii, dans les zones de haute mer qui sont souvent pauvres en nutriments. La plupart des bactéries fixatrices d'azote disposent de mécanismes pour réguler l'utilisation du diazote lorsque des sources fixes d'azote sont disponibles, réduisant ainsi le coût énergétique élevé de ce processus. Cependant, les UCYN-A ont perdu les gènes permettant cela et sont capables de fixer l'azote gazeux en ammonium même dans des environnements riches en nutriments. L’hôte, à son tour, lui fournit du carbone fixé par photosynthèse par ses chloroplastes.
L'étude détaille comment les chercheurs ont découvert une relation de taille entre UCYN-A et leurs cellules partenaires symbiotiques – cohérente avec les relations de taille entre d'autres organites et leurs hôtes. À mesure que les organites grossissent, leurs cellules hôtes grossissent également – elles finissent par se diviser et se répliquer. La modélisation mathématique a révélé les compromis métaboliques qui régulent la taille relative des cellules grâce à l'acquisition et à l'échange de nutriments.
Voie évolutive des organites fixateurs d’azote
« Il faut beaucoup d'énergie ainsi que des électrons pour fixer l'azote gazeux et en faire quelque chose d'utile », a déclaré Keisuke Inomura, professeur adjoint d'océanographie à la Graduate School of Oceanography de l'URI et l'un des principaux auteurs de l'étude. « Si UCYN-A suit la voie évolutive vers le développement d'organites fixateurs d'azote et que nous trouvons des cellules en dehors de B. bigelowii possèdent également de tels organites, ou évoluent de la même manière, cela pourrait changer la donne.
Alors que les organites tels que les mitochondries et les chloroplastes sont beaucoup plus avancés sur le spectre évolutif, les chercheurs affirment que ce qu'ils voient pourrait être un instantané du processus évolutif des organites d'origine bactérienne qui fixent l'azote.
« Notre étude se concentre sur une relation symbiotique beaucoup plus récente qui a émergé il y a environ 100 millions d'années, nous permettant d'explorer l'évolution de la formation des organites à ses débuts », a expliqué Francisco Cornejo, co-auteur principal et chercheur postdoctoral au département des sciences marines. biologie et océanographie à l'Institut de Ciències del Mar.
Les chercheurs notent cependant que des études supplémentaires sont nécessaires pour démontrer si tel est le cas.
« La relation étonnamment étroite entre UCYN-A et son hôte peut s’expliquer par l’économie des ressources des partenaires. Cela suggère que UCYN-A pourrait être sur le point de devenir un organite : la question de savoir si cela est déjà le cas fait l'objet de recherches en cours », a déclaré Michael J. Follows, professeur de sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes à MIT et membre de l'équipe de recherche.
