Les chercheurs ont découvert que les bactéries Rhizobia, connues pour leur relation symbiotique avec les légumineuses, peuvent également former des partenariats similaires avec les diatomées marines. Cette découverte, qui met en lumière une partie importante de la fixation de l’azote marin, a des implications à la fois sur la biologie marine et sur la technologie agricole. Crédit : Issues.fr.com
Une étude révolutionnaire révèle que les bactéries Rhizobia peuvent fixer l'azote en partenariat avec les diatomées marines, une découverte qui pourrait avoir des implications significatives pour l'agriculture et les écosystèmes marins.
L'azote est un composant essentiel de tous les organismes vivants. C’est également l’élément clé qui contrôle la croissance des cultures terrestres, ainsi que celle des plantes océaniques microscopiques qui produisent la moitié de l’oxygène de notre planète.
L’azote atmosphérique constitue de loin le plus grand réservoir d’azote, mais les plantes ne peuvent pas le transformer en une forme utilisable. Au lieu de cela, les plantes cultivées comme le soja, les pois et la luzerne (collectivement appelées légumineuses) ont acquis des partenaires bactériens rhizobiens qui « fixent » l’azote atmosphérique en ammonium. Ce partenariat fait des légumineuses l’une des sources de protéines les plus importantes dans la production alimentaire.
Des scientifiques de l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, en Allemagne, rapportent désormais que les Rhizobiums peuvent également former des partenariats similaires avec de minuscules plantes marines appelées diatomées – une découverte qui résout un mystère marin de longue date et qui pourrait avoir des applications agricoles d'une grande portée.
Les symbiotes rhizobiens fixateurs d'azote (marqués par fluorescence en orange et vert à l'aide de sondes génétiques) résidant à l'intérieur de diatomées collectées dans l'Atlantique Nord tropical. Le noyau de la diatomée est représenté en bleu vif. Crédit : Mertcan Esti/Institut Max Planck de microbiologie marine, Brême, Allemagne
Un énigmatique fixateur d’azote marin caché dans une diatomée
Pendant de nombreuses années, on a supposé que la majeure partie de la fixation de l’azote dans les océans était réalisée par des organismes photosynthétiques appelés cyanobactéries. Cependant, dans de vastes régions de l’océan, il n’y a pas suffisamment de cyanobactéries pour expliquer la fixation mesurée de l’azote. Ainsi, une controverse a éclaté, de nombreux scientifiques émettant l’hypothèse que des micro-organismes non cyanobactériens devaient être responsables de la fixation « manquante » de l’azote.
« Depuis des années, nous avons découvert des fragments de gènes codant pour l'enzyme nitrogénase fixatrice d'azote, qui semblaient appartenir à un fixateur d'azote non cyanobactérien particulier », explique Marcel Kuypers, auteur principal de l'étude. « Mais nous ne pouvions pas déterminer précisément qui était cet organisme énigmatique et ne savions donc pas s'il était important pour la fixation de l'azote. »
Un groupe de diatomées avec leurs symbiotes marqués par fluorescence. Crédit : Mertcan Esti/Institut Max Planck de microbiologie marine, Brême, Allemagne
En 2020, les scientifiques ont voyagé de Brême vers l’Atlantique Nord tropical pour rejoindre une expédition impliquant deux navires de recherche allemands. Ils ont collecté des centaines de litres d’eau de mer dans la région, dans laquelle a lieu une grande partie de la fixation mondiale de l’azote marin, dans l’espoir d’identifier et de quantifier l’importance de ce mystérieux fixateur d’azote. Il leur a fallu les trois années suivantes pour enfin reconstituer son génome.
« Cela a été un travail de détective long et minutieux », explique Bernhard Tschitschko, premier auteur de l'étude et expert en bioinformatique, « mais en fin de compte, le génome a résolu de nombreux mystères. » La première était l’identité de l’organisme : « Alors que nous savions que le gène de la nitrogénase provenait d’une bactérie apparentée à Vibrio, de manière inattendue, l’organisme lui-même était étroitement lié aux Rhizobia qui vivent en symbiose avec les légumineuses », explique Tschitschko. Avec son génome étonnamment petit, cela soulève la possibilité que le Rhizobia marin puisse être un symbiote.
La première symbiose connue de ce type
Encouragés par ces découvertes, les auteurs ont développé une sonde génétique qui pourrait être utilisée pour marquer par fluorescence les Rhizobia. Une fois qu’ils l’ont appliqué aux échantillons d’eau de mer originaux collectés dans l’Atlantique Nord, leurs soupçons selon lesquels il s’agissait d’un symbiote ont été rapidement confirmés. « Nous avons trouvé des groupes de quatre Rhizobia, toujours assis au même endroit à l'intérieur des diatomées », explique Kuypers. « C'était très excitant car il s'agit de la première symbiose connue entre une diatomée et un fixateur d'azote non cyanobactérien. »
Les scientifiques ont nommé le symbiote nouvellement découvert Candidat Tectiglobus diatomicola. Après avoir finalement déterminé l'identité du fixateur d'azote manquant, ils se sont concentrés sur la façon dont les bactéries et les diatomées vivent en partenariat. Grâce à une technologie appelée nanoSIMS, ils pourraient montrer que les Rhizobia échangent de l'azote fixe avec la diatomée en échange de carbone.
Et elle y consacre beaucoup d'efforts : « Pour soutenir la croissance de la diatomée, la bactérie fixe 100 fois plus d'azote qu'elle n'en a besoin pour elle-même », explique Wiebke Mohr, l'un des scientifiques du journal.
Rencontre en mer. Les deux navires de recherche impliqués dans l'étude (le R/V Meteor et le R/V Maria S. Merian) se sont rencontrés à plusieurs reprises au cours de l'expédition. Crédit : Wiebke Mohr/Institut Max Planck de microbiologie marine, Brême, Allemagne
Un rôle crucial dans le maintien de la productivité marine
L’équipe s’est ensuite retournée vers les océans pour découvrir à quel point la nouvelle symbiose pourrait être répandue dans l’environnement. Il s'est rapidement avéré que ce partenariat récemment découvert se retrouve dans tous les océans du monde, en particulier dans les régions où les fixateurs d'azote cyanobactériens sont rares. Ainsi, ces minuscules organismes sont probablement des acteurs majeurs dans la fixation totale de l’azote océanique et jouent donc un rôle crucial dans le maintien de la productivité marine et de l’absorption océanique mondiale du dioxyde de carbone.
Un candidat clé pour l’ingénierie agricole ?
Outre son importance pour la fixation de l’azote dans les océans, la découverte de la symbiose laisse présager d’autres opportunités passionnantes dans le futur. Kuypers est particulièrement enthousiasmé par ce que signifie cette découverte d’un point de vue évolutif.
« Les adaptations évolutives de Californie. T. diatomicola est très similaire à la cyanobactérie endosymbiotique UCYN-A, qui fonctionne comme un organite fixateur d'azote à un stade précoce. Il est donc très tentant de supposer que Californie. T. diatomicola et son hôte diatomée pourraient également en être aux premiers stades de devenir un organisme unique.
Tschitschko convient que l'identité et la nature organite du symbiote sont particulièrement intrigantes : « Jusqu'à présent, il a été démontré que ces organites proviennent uniquement des cyanobactéries, mais les implications de leur découverte parmi les Rhizobiales sont très intéressantes, étant donné que ces bactéries sont extrêmement important pour l’agriculture. La petite taille et la nature organite des Rhizobiales marins signifient qu’ils pourraient un jour être un candidat clé pour concevoir des plantes fixatrices d’azote.
Les scientifiques vont maintenant continuer à étudier la symbiose nouvellement découverte et voir si d’autres similaires existent également dans les océans.
