Quantifier l'assimilation de polysaccharides par les bactéries marines

Publié par Isabelle le 11/05/2021 à 13:00
Source: CNRS INSB
Les polysaccharides des algues forment un stock varié et abondant de matière organique pour les bactéries hétérotrophes marines, au centre du cycle du carbone dans l'océan. Dans cette étude, publiée dans la revue ISME Journal, lesscientifiques montrent qu'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) limité de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) côtières peuvent utiliser efficacement certains de ces polysaccharides avec des taux d'assimilation élevés. Ces résultats pourraient permettre de mieux comprendre l'impact du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques...) microbien sur le devenir du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) dans les écosystèmes côtiers.


Figure: Microscopie ionique HISH-SIMS de l'assimilation d'alginate par des cellules individuelles. Le même champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) est visualisé en utilisant le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) (à gauche, montrant la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces...) totale), celui du fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du...) (au centre, montrant l'hybridation avec une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) ciblant un taxon spécifique) et la fraction d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 13C (à droite, indiquant l'incorporation de 13C à partir de l'alginate). Barre d'échelle: 2 µm.
© François Thomas

Les habitants des zones côtières ou les vacanciers de passage savent que les grandes algues peuvent être très abondantes et créer de véritables forêts sous-marines. Ces macroalgues sont en effet considérées comme des producteurs primaires majeurs dans les environnements côtiers. Grâce à la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...), elles fixent une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) importante de carbone sous forme de polysaccharides, qui peuvent ensuite être libérés sous forme dissoute ou particulaire dans l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.). Les polysaccharides algaux constituent donc un immense réservoir de substrats pour les bactéries hétérotrophes. Pourtant, toutes les bactéries marines ne sont pas capables d'utiliser ces composés. Identifier quels taxons bactériens assimilent activement les polysaccharides algaux et quels gènes sont impliqués reste un défi, encore plus lorsqu'il s'agit de quantifier leur contribution individuelle au flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de carbone.

Pour répondre à cette question, les scientifiques ont mis en oeuvre une approche intégrée de méthodes analytiques de marquage basée sur le traçage d'isotopes stables (Stable Isotope Probing en anglais, SIP). Cette technique permet de suivre l'incorporation dans le contenu cellulaire de substrats enrichis en isotopes stables (ici le carbone 13). Les scientifiques ont produit au laboratoire des algues brunes laminaires enrichies en 13C. De ces algues marquées, ils ont extrait l'alginate, un de leurs polysaccharides majoritaires. L'alginate marqué au 13C a été ajouté à des échantillons d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) côtière pour suivre son assimilation par des bactéries spécifiques au sein des communautés microbiennes de cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...). Les résultats montrent que l'alginate est utilisé par un nombre limité de flavobactéries et gammaprotéobactéries initialement rares, et fournissent les premières estimations des taux d'assimilation de l'alginate par chaque cellule.

Les scientifiques ont analysé les incubations SIP par microscopie ionique NanoSIMS couplée à l'hybridation in-situ (HISH-SIMS). En plus de fournir de magnifiques images des bactéries "à la Andy Warhol", cette approche a permis de détecter spécifiquement les cellules qui avaient incorporé l'alginate, en fonction de leur contenu isotopique. Les taux d'assimilation du carbone issu de l'alginate calculés pour chaque cellule bactérienne ont révélé des valeurs atteignant jusqu'à 27,5 fg C µm-3 h-1, soit un quart de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) partielle de carbone estimée dans les cellules bactériennes.

Les scientifiques ont ensuite fractionné l'ADN total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) extrait des incubations SIP en fonction de sa densité car plus les microorganismes ont assimilé de 13C provenant de l'alginate, plus leur ADN est dense. Ces fractions d'ADN ont été analysées par séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) du gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) de l'ARNr 16S, pour déterminer l'identité taxonomique des incorporateurs d'alginate. Enfin, le criblage fonctionnel de banques métagénomiques préparées à partir des mêmes incubations SIP a permis d'identifier les gènes de certaines de ces bactéries alginolytiques.

Ces résultats nouveaux suggèrent que les polysaccharides algaux abondants sont préférentiellement consommés par un nombre limité de bactéries dans les environnements côtiers, soulignant la forte spécialisation qui existe dans les communautés hétérotrophes. La mesure des taux d'assimilation permet de mieux cerner le rôle quantitatif joué par ces bactéries spécialistes de la dégradation des polysaccharides pour libérer le carbone séquestré dans la biomasse des macroalgues.

Pour en savoir plus:
Isotopic tracing reveals single-cell assimilation of a macroalgal polysaccharide by a few marine Flavobacteria and Gammaproteobacteria.
Thomas F, Le Duff N, Wu TD, Cébron A, Uroz S, Riera P, Leroux C, Tanguy G, Legeay E, Guerquin-Kern JL.
The ISME Journal 9 avril 2021. https://doi.org/10.1038/s41396-021-00987-x.

laboratoire:
Laboratoire de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) intégrative des modèles marins (CNRS-Sorbonne Université) - Station biologique de Roscoff (Roscoff est une commune du département du Finistère, en région Bretagne, en France....). - Place George Teissier, 29600 Roscoff, France.

Contact:
François Thomas - 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 biologie intégrative des modèles marins - francois.thomas at sb-roscoff.fr
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