Les symbiotes rhizobiens fixateurs d'azote (marqués par fluorescence en orange et vert à l'aide de sondes génétiques) résidant à l'intérieur des 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
De nouvelles recherches révèlent une symbiose entre une diatomée marine et une bactérie de type Rhizobia, essentielle à la fixation de l'azote dans l'océan, ce qui pourrait également avoir un impact sur les futures pratiques agricoles en permettant la création de plantes fixatrices d'azote.
Des scientifiques ont découvert que les bactéries Rhizobia, traditionnellement connues pour leur capacité à fixer l'azote dans les légumineuses en symbiose, s'associent également aux diatomées marines pour fixer l'azote, offrant ainsi une solution à un mystère marin de longue date. Cette découverte permet non seulement de mieux comprendre les cycles de l'azote océanique, mais suggère également des applications agricoles et évolutives potentielles, soulignant le rôle essentiel des bactéries dans la productivité marine et l'absorption du dioxyde de carbone.
L'azote est un élément essentiel de tous les organismes vivants. Il joue également un rôle crucial dans la régulation de la croissance des cultures terrestres ainsi que des plantes marines microscopiques, qui produisent la moitié de l'oxygène mondial. Bien que l'azote atmosphérique soit le plus grand réservoir d'azote, les plantes ne peuvent pas le transformer en une forme utilisable. Cependant, certaines cultures comme le soja, les pois et la luzerne, collectivement appelées légumineuses, ont acquis des partenaires bactériens rhizobiens qui « fixent » l'azote atmosphérique en ammonium, que les plantes peuvent utiliser. Ce partenariat fait des légumineuses l'une des sources de protéines les plus importantes de notre approvisionnement alimentaire.
Une découverte révolutionnaire en biologie marine
On ne savait pas encore comment les plantes marines obtenaient l’azote dont elles avaient besoin pour se développer. Des chercheurs de l’Institut Max Planck de microbiologie marine, de l’Institut Alfred Wegener et de l’Université de Vienne ont découvert que les rhizobiums peuvent former des partenariats similaires avec de minuscules plantes marines appelées diatomées. Cette découverte, détaillée dans un récent article, Nature Cette publication résout non seulement un mystère marin de longue date, mais offre également des perspectives qui pourraient conduire à des technologies agricoles révolutionnaires.
Dévoilement d'un nouveau fixateur d'azote marin
On pensait jusqu’à présent que la fixation de l’azote dans les océans était principalement assurée par des organismes photosynthétiques appelés cyanobactéries. Or, dans de vastes régions de l’océan, les cyanobactéries ne sont pas suffisamment nombreuses pour permettre la fixation de l’azote mesurée. De nombreux scientifiques ont donc émis l’hypothèse que des micro-organismes non cyanobactériens devaient être responsables de la fixation « manquante » de l’azote.
« Depuis des années, nous avons trouvé des fragments de gènes codant pour l’enzyme fixatrice d’azote, la nitrogénase, qui semblait appartenir à un fixateur d’azote particulier, non cyanobactérien », explique Marcel Kuypers, auteur principal de l’étude. « Mais nous ne pouvions pas déterminer précisément qui était cet organisme énigmatique et nous ne savions donc pas s’il était important pour la fixation de l’azote. »
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 : Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême/Wiebke Mohr
Révélation de l'identité d'un mystérieux symbiote
En 2020, les scientifiques ont quitté Brême pour rejoindre l’Atlantique Nord tropical afin de participer à une expédition impliquant deux navires de recherche allemands. Ils ont collecté des centaines de litres d’eau de mer dans la région, où se déroule une grande partie de la fixation de l’azote marin à l’échelle mondiale, dans l’espoir d’identifier et de quantifier l’importance du mystérieux fixateur d’azote. Il leur a fallu les trois années suivantes pour enfin reconstituer son génome. « Ce fut un travail de détective long et minutieux, mais au final, le génome a permis de résoudre de nombreux mystères », explique Bernhard Tschitschko, premier auteur de l’étude et bioinformaticien travaillant aujourd’hui à l’université d’Innsbruck.
Daan Speth, co-auteur et bioinformaticien de l’Université de Vienne, ajoute : « D’après le fragment de gène de la nitrogénase que nous avions déjà observé dans de nombreux échantillons marins, on aurait pu s’attendre à trouver ce gène chez un organisme apparenté à Vibrio, mais en rassemblant soigneusement les informations génétiques, il s’est avéré qu’il appartenait plutôt à un génome étroitement lié à celui des Rhizobia connus, qui vivent généralement en symbiose avec les légumineuses. » Conjugué à son génome étonnamment petit, cela a soulevé la possibilité que le Rhizobia marin puisse être un symbiote.
Un groupe de diatomées avec leurs symbiotes marqués par fluorescence. Crédit : Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême/Mertcan Esti
Découvrir une relation symbiotique unique
Encouragés par ces découvertes, les auteurs ont développé une sonde génétique qui pourrait être utilisée pour marquer les Rhizobia par fluorescence. « Cela nous a permis de visualiser les Rhizobia directement dans leur habitat naturel, à savoir les échantillons environnementaux complexes collectés dans l’Atlantique », explique Katharina Kitzinger, qui a commencé à contribuer à ce projet à l’Institut Max Planck et a continué à apporter son expertise après son arrivée à l’Université de Vienne.
Leurs soupçons quant à la présence d’un symbiote ont rapidement été confirmés. « Nous avons trouvé des groupes de quatre rhizobiums, toujours au même endroit à l’intérieur des diatomées », explique Kuypers. « C’était très intéressant car il s’agit de la première symbiose connue entre une diatomée et un fixateur d’azote non cyanobactérien. »
Les scientifiques ont baptisé le symbiote nouvellement découvert Candidatus Tectiglobus diatomicola. Après avoir enfin déterminé l’identité du fixateur d’azote manquant, ils se sont concentrés sur la manière dont les bactéries et la diatomée vivent en partenariat. Grâce à une technologie appelée nanoSIMS, ils ont pu montrer que la bactérie échange de l’azote fixe avec la diatomée en échange de carbone. Et elle y met beaucoup d’efforts : « Afin de soutenir la croissance de la diatomée, la bactérie fixe 100 fois plus d’azote que ce dont elle a besoin pour elle-même », explique Wiebke Mohr, l’une des scientifiques ayant participé à l’étude.
Conséquences pour la productivité marine et l’absorption du carbone
L'équipe s'est ensuite tournée vers les océans pour découvrir l'étendue de cette nouvelle symbiose dans l'environnement. Il s'est rapidement avéré que cette nouvelle association se retrouve dans tous les océans du monde, en particulier dans les régions où les fixateurs d'azote cyanobactériens sont rares. Ces minuscules organismes jouent donc probablement un rôle majeur 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 globale de dioxyde de carbone par les océans.
Applications agricoles potentielles de la symbiose marine
Outre son importance pour la fixation de l’azote dans les océans, la découverte de cette symbiose laisse entrevoir d’autres opportunités intéressantes pour l’avenir. Kuypers est particulièrement enthousiasmé par les implications de cette découverte d’un point de vue évolutionnaire. « Les adaptations évolutives de Ca. T. diatomicola sont très similaires à celles de 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 Ca. T. diatomicola et son hôte diatomée pourraient également être aux premiers stades de leur transformation en un seul organisme. »
Tschitschko convient que l’identité et la nature organelle 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 incroyablement importantes pour l’agriculture. La petite taille et la nature organelle des Rhizobiales marines signifient qu’elles pourraient être un candidat clé pour la conception de plantes fixatrices d’azote un jour », explique-t-il.
Les scientifiques vont maintenant continuer à étudier la symbiose nouvellement découverte et voir si d’autres symbiotes similaires existent également dans les océans.
