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Posté par Adrien le Dimanche 28/01/2018 à 00:00
Tara Oceans: découverte de plus de 100 millions de gènes issus du monde marin
L'expédition Tara Oceans (2009-2013) a permis de collecter des échantillons de plancton dans tous les océans du globe à bord de la goélette Tara, et d'établir des catalogues d'espèces et de gènes à une échelle jusqu'alors jamais entreprise. Poursuivant l'analyse et l'exploitation de la plus grande base de données établie sur l'écosystème planctonique, les équipes du CEA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), EMBL et ENS, entre autres (1), viennent de franchir une nouvelle étape en analysant l'expression de plus de 100 millions de gènes appartenant à des organismes complexes allant des algues microscopiques aux petits animaux planctoniques. Ces équipes ont montré que des gènes très différents s'expriment selon la température de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou la concentration en nutriments des zones océaniques étudiées. La moitié de ces gènes est inconnue, ce qui indique que l'océan, étant déjà un formidable réservoir de biodiversité, recèle en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) un énorme potentiel de fonctions génétiques à découvrir. En utilisant des méthodes d'isolement et de caractérisation de cellules isolées, les chercheurs ont pu explorer plus spécifiquement le rôle des gènes présents dans ce compartiment peu étudié, incultivé mais très abondant du plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec ancien πλαγκτός / planktós ou « errant »). Selon...), premier maillon (Le maillon en language maritime est une longueur de chaîne (ligne de mouillage), qui mesure 15 brasses soit 27,50 m. L'élément de base de la chaîne est appelé maille....) d'une longue chaîne alimentaire. Ces résultats font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de deux articles publiés dans la revue Nature Communications les 22 et 25 janvier 2018.


Séquenceur au CEA-Genoscope
© CEA/F.Rhodes


Protistes et larves planctoniques
© Christian SARDET/Tara Océans/CNRS Photothèque

Le plancton est composé d'organismes très différents dont les plus simples (bactéries, virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme extracellulaire ou intracellulaire....)?) commencent à être connus génétiquement, grâce entre autres aux travaux précédents de Tara Oceans. En revanche, les organismes plus complexes, tels les algues, les parasites ou les animaux microscopiques sont beaucoup moins connus, alors qu'ils représentent la grande majorité des espèces dans l'océan. Base de la chaîne alimentaire dans les océans, le plancton constitue le plus vaste écosystème de la planète, et assure le bon fonctionnement des cycles biogéochimiques essentiels pour la survie des organismes, y compris nous-mêmes. Composé de millions d'espèces différentes, la complexité du plancton représente un défi considérable pour la compréhension de ces flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) de matière et d'énergie, dont dépend toute vie (La vie est le nom donné :) sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande...).

Le plus grand catalogue de gènes liés à un écosystème

Pour combler cette lacune, et définir les conditions d'expression de ces gènes, des chercheurs du Genoscope au CEA, du CNRS, de l'EMBL, de l'ENS-PSL, de Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Université, de l'Université d'Evry et de l'Université Paris-Saclay viennent d'établir le plus grand catalogue de gènes jamais assemblé pour un écosystème planétaire. Composé d'environ 117 millions de séquences différentes, ce catalogue a été établi grâce à l'isolement des gènes exprimés dans plus de 400 échantillons collectés au cours de l'expédition. Cette approche de séquençage massif (Le mot massif peut être employé comme :) d'ADN sans isolement d'organismes est dite de métatranscriptomique. Elle a permis d'observer des gènes s'exprimant dans des conditions écologiques particulières. Elle permet par exemple, de montrer que de nombreux organismes utilisent des réponses génétiques différentes selon la concentration en fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer...) dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...). Les chercheurs ont pu déterminer les gènes impliqués selon les groupes d'espèces.

Des millions de gènes au rôle encore inconnu

Cette étude met également en évidence une proportion particulièrement élevée de gènes aux fonctions biologiques encore inconnues, et qui représente plus de la moitié du catalogue obtenu. Il apparait que ces gènes sans fonction définie s'expriment surtout dans un petit nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de conditions environnementales. Ils pourraient apporter une explication fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a...) à l'immense diversité des organismes observés dans le plancton océanique.


Extraction d'ARN au CEA-Genoscope
© CEA/F.Rhodes


Animal marin
© M. Ormestad-Kahikai-Tara Expéditions-Tara Ocean

Quels gènes pour quelles fonctions de la vie ?

Si la fonction des gènes du plancton peut désormais être étudiée globalement grâce à ce catalogue, il reste à identifier les organismes auxquels ils appartiennent. Dans un second article, les chercheurs de Tara Oceans caractérisent les génomes de plusieurs organismes majeurs dans l'environnement, mais qu'il est impossible pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) de cultiver. Des cellules individuelles ont été prélevées et conservées pendant l'expédition, et leur ADN a pu être séquencé grâce aux méthodes en plein développement de la génomique « cellule-unique ». Ainsi, de nombreux gènes observés dans le catalogue ont pu être attribués à de très petits organismes (moins de 20 micromètres) se nourrissant d'algues et de bactéries, et constituant un échelon intermédiaire fondamental de la chaîne alimentaire. Cette analyse a révélé une diversité de fonctions insoupçonnées, révélatrice de la spécialisation dans ce compartiment du plancton.

Comment l'océan a-t-il évolué, comment fonctionne-t-il ?

Grâce à ces travaux, le voile commence à se lever sur les petits organismes plus complexes que les bactéries qui constitueraient la majeure partie du plancton océanique. Ils ouvrent de nombreuses perspectives pour comprendre l'écologie océanique à l'aide de gènes marqueurs. Il devient entre autres possible d'étudier les processus biogéochimiques majeurs de l'océan sur la base de l'expression de ces marqueurs. Enfin, une compréhension des mécanismes évolutifs et écologiques de l'écosystème océan semble désormais à portée de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...), en utilisant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des ressources en espèces, en gènes, et en gènes exprimés apportées par Tara Oceans.

Des gènes aux grands équilibres physiques

Mise en oeuvre par les 22 laboratoires impliqués principalement rattachés au CEA, CNRS, l'EMBL, l'ENS et la Fondation Tara Expéditions, Tara Oceans continue d'apporter des éléments majeurs pour décrire le rôle de l'océan dans la « machine » planétaire. Pour relier les gènes océaniques aux phénomènes physiques globaux comme le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de...), les chercheurs doivent encore comprendre dans quelles conditions les gènes s'expriment ou non, et à quels organismes ils appartiennent. L'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en...) ouvert par cette expédition n'en finit pas de s'élargir.

Notes:

(1) Sorbonne Université, Université d'Evry Val d'Essonne et Université Paris-Saclay


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Source: CNRS
 
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