Une coupe transversale de biocroûte prise par microscopie laser confocale à balayage. Les particules de sol sont visibles sous différentes nuances de gris, tandis que les faisceaux de filaments cyanobactériens (rouge fluorescent) sont situés entre elles. Crédit : État de Pennsylvanie
Les chercheurs rapportent qu’une nouvelle méthode d’évaluation de l’activité microbienne dans les sols mouillés permet de mieux comprendre la vulnérabilité.
En utilisant une nouvelle méthode pour détecter l’activité microbienne dans les croûtes biologiques du sol, ou biocroûtes, après leur mouillage, une équipe de recherche dirigée par Penn State a glané des informations dans une étude récente qui mettent en lumière le rôle crucial que jouent les microbes dans la formation d’une peau vivante sur de nombreuses semi- -les écosystèmes arides du monde entier. Les minuscules organismes – et les microbiomes qu’ils créent – sont menacés par le changement climatique.
Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue Frontières de la microbiologie.
« Les biocroûtes couvrent actuellement environ 12 % de la surface terrestre de la Terre, et nous nous attendons à ce qu’elles diminuent d’environ 25 % à 40 % d’ici 65 ans en raison du changement climatique et de l’intensification de l’utilisation des terres », a déclaré la chef d’équipe Estelle Couradeau, professeure adjointe de Penn State. sols et microbiologie environnementale. « Nous espérons que ces travaux pourront ouvrir la voie à la compréhension des fonctions microbiennes soutenant la résilience de la biocroûte aux changements climatiques rapides et aux sécheresses plus fréquentes. »
Les croûtes biologiques du sol sont des assemblages d’organismes qui forment une couche superficielle pérenne et bien organisée dans les sols. Ils sont répandus et se produisent sur tous les continents partout où le manque d’eau limite la croissance des plantes communes, permettant à la lumière d’atteindre le sol nu. Mais il y a encore suffisamment d’eau pour soutenir la croissance des micro-organismes qui assurent de précieux services écosystémiques, comme capter le carbone et l’azote de l’air et les fixer dans le sol, recycler les nutriments et retenir les particules du sol ensemble, ce qui aide à prévenir la poussière.
Ryan Trexler, étudiant diplômé de Penn State, collecte des noyaux de biocroûte sur le terrain avant de les rapporter au laboratoire pour les étudier. Crédit : État de Pennsylvanie
Cette fonction de stabilisation du sol – qui réduit l’érosion en permettant au sol de s’agglutiner et de ne pas se décomposer en poussière – est extrêmement importante, selon Couradeau. Son groupe de recherche, maintenant au Collège des sciences agricoles de Penn State, étudie intensivement les biocroûtes depuis une décennie.
« La majeure partie de la poussière est générée dans les zones arides, et des études suggèrent que la présence de biocroûtes dans les zones arides réduit considérablement la quantité de poussière qui autrement se retrouverait dans l’atmosphère », a-t-elle déclaré. « Nous pensons que la perte de biocroûtes entraînerait une augmentation de 5 à 15 % des émissions et des dépôts de poussières à l’échelle mondiale, ce qui affecterait le climat, l’environnement et la santé humaine. »
Dans les régions semi-arides où existent des biocroûtes, les organismes – minuscules mousses, lichens, algues vertes, cyanobactéries, autres bactéries et champignons – peuvent connaître seulement quelques épisodes de pluie ou de neige par an, a expliqué Ryan Trexler, candidat au doctorat en le programme d’études supérieures interuniversitaires en écologie et en biogéochimie, qui a dirigé la recherche.
« Lorsque le sol est sec, la plupart des microbes présents dans le sol sont en dormance et ne font pas grand-chose », a-t-il déclaré. « Mais dès qu’ils sentent de l’eau, ils sont réanimés très rapidement, en quelques secondes ou quelques minutes. Et ils produisent activement de la chlorophylle et fixent le carbone et l’azote jusqu’à ce que le sol soit à nouveau sec – puis les microbes redeviennent dormants. Ils subissent des cycles d’activité à chaque fois qu’il pleut.
Une vue du plateau du Colorado près de Moab, dans l’Utah, où des échantillons de biocroûte ont été prélevés à l’automne après une pluie qui a suffisamment mouillé le sol pour activer les microbes. Crédit : État de Pennsylvanie
Pour étudier les biocroûtes, les chercheurs ont prélevé des échantillons sur trois parcelles de biocroûtes intactes, dominées par les cyanobactéries, situées sur le plateau du Colorado, près de Moab, dans l’Utah. Des échantillons de biocroûte ont été prélevés à l’automne suite à des pluies qui ont suffisamment mouillé le sol pour activer les microbes. Les échantillons ont ensuite été séchés et stockés dans l’obscurité, puis réhumidifiés beaucoup plus tard au cours de la recherche.
« Nous avons échantillonné ce que nous appelons ‘un désert froid’, car il est très aride, mais en hiver, il neige parfois », a déclaré Trexler. « Il ne fait donc pas aussi chaud que dans de nombreux autres endroits arides, mais les plantes ne peuvent toujours pas s’y développer parce qu’il n’y a pas assez d’eau. Ainsi, la seule communauté que nous trouvons dans les sols du site est microbienne.
Pour déterminer quels micro-organismes sont actifs au sein des communautés du sol, les chercheurs ont couplé des acides aminés bioorthogonaux non canoniques acide marquage – connu sous le nom de BONCAT – avec tri cellulaire activé par fluorescence. BONCAT est un outil puissant pour suivre la synthèse des protéines au niveau de cellules individuelles au sein de communautés et d’organismes entiers, tandis que le tri cellulaire activé par fluorescence trie les cellules selon qu’elles produisent ou non de nouvelles protéines.
Les chercheurs ont combiné ces processus avec un séquençage métagénomique par fusil de chasse, ce qui leur a permis d’échantillonner de manière exhaustive tous les gènes de tous les organismes présents dans les échantillons de biocroûte. Ils ont appliqué cette méthode pour profiler la diversité et les capacités fonctionnelles potentielles des micro-organismes actifs et inactifs dans une communauté de biocroûte après avoir été réanimés par un événement de pluie simulé. Les chercheurs ont découvert que leur nouvelle approche permet de discerner les micro-organismes actifs et inactifs dans les biocroûtes mouillées.
Les composants actifs et inactifs de la communauté de la biocroûte différaient en espèces la richesse et la composition quatre heures et 21 heures après l’événement de mouillage, ont rapporté les chercheurs.
Les contributeurs à la recherche ont été Marc Van Goethem, du Laboratoire national Lawrence Berkeley et de l’Université des sciences et technologies King Abdullah, Djeddah, Arabie Saoudite ; Danielle Goudeau, Nandita Nath, Trent Northen et Rex Malmstrom, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Institut commun du génome du Département de l’énergie des États-Unis.
Le ministère américain de l’Énergie a soutenu cette recherche.
