Métamorphose d'une microalgue symbiotique cultivée par son hôte

Publié par Isabelle le 12/07/2021 à 13:00
Source: CNRS INSB

© Johan Decelle
Les interactions cellulaires dans le plancton marin, comme la symbiose et le parasitisme, sont nombreuses et primordiales pour le fonctionnement des écosystèmes marins, mais restent peu connues. En utilisant des techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) haute résolution, cette étude publiée dans la revue PNAS met en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) les mécanismes subcellulaires par lesquels des hôtes peuvent intégrer et transformer des microalgues dans l'océan (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...).

Les interactions cellulaires entre les organismes ont joué un rôle primordial dans l'évolution et sont déterminantes pour le fonctionnement des écosystèmes. Dans l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau...), les symbioses entre des hôtes planctoniques eucaryotes unicellulaires et des microalgues (photosymbiose) sont des phénomènes répandus et importants sur le plan écologique. Ces interactions cellule-cellule sont essentielles à la biogéochimie globale des océans et leur rôle devrait s'accroître avec l'expansion des régions pauvres en nutriments due au changement climatique. La photosymbiose est également reconnue comme une étape initiale qui a pu mener à l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un...) des plastes dans l'histoire de l'évolution des eucaryotes. Cependant, les mécanismes par lesquels les hôtes (Les Hôtes (Hostess) est une nouvelle de science-fiction d'Isaac Asimov, publiée pour la...) intègrent et interagissent avec leurs microalgues symbiotiques restent mal définis.

En utilisant des techniques d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) subcellulaire innovantes (microscopie électronique 3D, imagerie par spectrométrie de masse) couplés à la transcriptomique et à la photophysiologie, les scientifiques ont pu montrer que les organismes hôtes (Acantharia) reconfigurent l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) cellulaire et le métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques...) de leurs microalgues symbiotiques intracellulaires (le phytoplancton marin Phaeocystis) afin de stimuler leur production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Cette métamorphose de la microalgue, induite par son hôte, a des implications potentielles sur le cycle du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) océanique et soulève des hypothèses évolutives sur l'acquisition des chloroplastes chez les eucaryotes. Cette étude révèle ainsi la capacité de certaines grandes cellules planctoniques à manipuler et à optimiser la machinerie bioénergétique d'autres cellules photosynthétiques.

En symbiose (La symbiose est une association intime et durable entre deux organismes...), la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par...) cellulaire des microalgues symbiotiques est stoppée, et leur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) cellulaire augmente drastiquement (jusqu'à 80 fois). Les chloroplastes prolifèrent, ce qui entraîne une multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) par 100 du volume de la machinerie photosynthétique. L'efficacité photosynthétique augmente avec la taille de la cellule et les gènes photosynthétiques sont plus fortement activés en symbiose. De plus, les microalgues symbiotiques fixent 150 fois plus de carbone que les cellules libres (en culture), une amélioration physiologique que les auteurs expliquent par une augmentation du volume (15 fois) et une réorganisation structurelle du pyrénoïde, ainsi que par la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) des gènes impliqués dans le cycle de Calvin Benson (fixation du carbone). Ce carbone, fixé par les microalgues, est principalement alloué dans leurs multiples chloroplastes et transféré à la cellule hôte. En parallèle, les mitochondries se transforment en un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) réticulé étendu dont le volume est multiplié par 50. La modélisation de la propagation des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) montre que ce réseau mitochondrial réticulé augmente la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) de la lumière dans la cellule et donc optimise la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) des photons pour la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...).

La métamorphose des chloroplastes et des mitochondries met en évidence le potentiel de transformation de la machinerie bioénergétique d'une cellule photosynthétique par une cellule hôte. De façon remarquable, le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de l'hôte se manifeste également par l'invagination du symbiosome (la vacuole de l'hôte contenant les microalgues) à l'intérieur de la microalgue, très probablement pour optimiser les échanges métaboliques. Cette profonde transformation de l'algue (Les algues sont des êtres vivants capables de photosynthèse dont le cycle de vie se...) ajoute des preuves au concept de "cytoklepty" (vol de cellule ou farming) dans le plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec...) océanique, selon lequel l'hôte détourne et "parasite" des microalgues, qui sont transformées à un point (Graphie) tel qu'elles sont incapables de revenir à leur forme de vie (La vie est le nom donné :) libre. Cette étude démontre l'intérêt d'aller scruter d'autres interactions cellulaires dans le plancton à l'échelle nanométrique pour comprendre comment les cellules vivent dans cet océan pauvre en nutriments et manipulent d'autres cellules pour accéder à des ressources énergétiques.


Figure: Transformation d'une microalgue en symbiose (SY) par rapport à son mode libre (FL). En symbiose, à l'intérieur d'un hôte, ses chloroplastes (vert) se multiplient (jusqu'à 65), sa division cellulaire est bloquée donc son noyau grossi (bleu), et sa mitochondrie (rouge) se transforme en un grand réseau.
© Johan Decelle et Clarisse Uwizeye

Pour en savoir plus:
Cytoklepty in the plankton: A host strategy to optimize the bioenergetic machinery of endosymbiotic algae.
Uwizeye C, Mars Brisbin M, Gallet B, Chevalier F, LeKieffre C, Schieber NL, Falconet D, Wangpraseurt D, Schertel L, Stryhanyuk H, Musat N, Mitarai S, Schwab Y, Finazzi G, Decelle J.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jul 6. doi:10.1073/pnas.2025252118.

Transformation d'une microalgue en symbiose par rapport à son mode libre. A l'intérieur d'un hôte, les chloroplastes (vert) se multiplient et la mitochondrie (rouge) se transforme en un grand réseau. 07.07.2021.

Laboratoire:
Laboratoire de physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) cellulaire et végétale (LPCV) - (CNRS/CEA/INRAE/Université Grenoble alpes)
17 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux...) des Martyrs. 38054 Grenoble.

Contact:
Johan Decelle - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au Laboratoire de physiologie cellulaire et végétale (LPCV) (CNRS/CEA/INRAE/Université de Grenoble Alpes) - Johan.decelle at univ-grenoble-alpes.fr
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