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L'océan est le seul écosystème continu de la planète. D'innombrables virus, microbes, plantes et animaux unicellulaires et minuscules animaux multicellulaires - appelés collectivement plancton - dérivent librement avec les courants marins.
Bien que ses composantes puissent sembler petites et insignifiantes, le plancton a des fonctions cruciales. Il constitue la base de tous les réseaux trophiques marins et, de plus, les constituants du plancton photosynthétiquement actifs comme les algues et les algues bleu-vert produisent d'énormes quantités d'oxygène et capturent simultanément une grande fraction du dioxyde de carbone atmosphérique.
Dans deux nouvelles études publiées récemment dans la revue Cell, un consortium de recherche international, dont le groupe de recherche sur le microbiome dirigé par le professeur Shinichi Sunagawa de l'ETH Zurich, montre où se trouvent les principaux groupes d'organismes planctoniques et comment ils s'adaptent aux conditions environnementales dans leurs zones marines respectives.
Analyse des gènes et de leurs transcriptions
Dans l'une des deux études, Shinichi Sunagawa et son équipe ont utilisé des centaines d'échantillons de plancton provenant de tous les océans pour étudier ce que l'on appelle les métatranscriptomes de bactéries et d'archaea. Les échantillons ont été prélevés entre 2009 et 2013 avec le voilier Tara lors d'expéditions menées par la Fondation Tara Ocean à Paris.
Un métatranscriptome comprend toutes les transcriptions de gènes, c'est-à-dire les molécules d'ARN qui peuvent être isolées à partir du mélange de diverses bactéries planctoniques et d'archaea.
Les chercheurs de l'ETH Zurich ont ensuite pu attribuer les molécules d'ARN à un gène à l'aide d'une base de données. La base de données, créée par l'équipe de Shinichi Sunagawa, contient 47 millions d'enregistrements génétiques d'environ 40 000 espèces microbiennes présentes dans le plancton du monde entier.
Les chercheurs ont également mesuré combien de fois une molécule d'ARN était présente dans un échantillon. Le nombre de molécules d'ARN est une indication de l'activité d'un gène au moment du prélèvement. Les chercheurs peuvent utiliser cette information pour tirer des conclusions sur l'activité microbienne, par exemple, certains processus métaboliques et mécanismes d'adaptation utilisés par les microbes pour s'adapter à leur environnement.
La diversité est la plus élevée autour de l'équateur
Ces analyses démontrent que les communautés microbiennes planctoniques des eaux chaudes ont une plus grande variété d'espèces et un plus grand bassin génétique que leurs homologues des eaux plus froides. Cela rend les microbes des eaux chaudes "plus flexibles" ; ils sont capables d'activer ou de désactiver différents gènes en tant que communauté au besoin, ce qui leur permet d'adapter plus rapidement leur métabolisme aux températures plus élevées de l'eau au besoin.
Les communautés microbiennes des mers polaires plus froides au nord et au sud du 60e parallèle comptent moins d'espèces et sont génétiquement moins diversifiées. Il est donc plus difficile pour ces collectivités de s'adapter aux températures plus élevées de l'eau. "Nos résultats indiquent qu'ils pourraient être adaptés plus spécifiquement à leur environnement de niche particulier. Par conséquent, ils pourraient être moins en mesure d'adapter leurs processus métaboliques aux températures plus chaudes de l'eau, comme celles qui se produiront dans les eaux polaires à mesure que le changement climatique se développera ", explique Shinichi Sunagawa. Pour cette raison, les microbes des eaux froides pourraient éventuellement être déplacés par la concurrence des océans plus chauds.
Cette idée est soutenue par la deuxième étude, également publiée aujourd'hui dans Cell et dont Shinichi Sunagawa et Guillem Salazar, membre de son équipe scientifique, sont co-auteurs. Dans cette étude, des chercheurs dirigés par Lucie Zinger et Chris Bowler du CNRS et de l'ENS, Paris, ont étudié la diversité et la distribution mondiales de divers grands groupes planctoniques, dont les virus, les eucaryotes unicellulaires et la matière animale.
Ils montrent que même si le plancton vit dans un écosystème continu, sa répartition est inégale. La plus grande biodiversité se trouve dans les mers non polaires, et la variété diminue vers les pôles.
Composition des changements climatiques
Cette diminution coïncide avec des changements brusques dans les conditions chimiques et physiques des eaux de surface, ce qui entraîne à son tour des changements dans la composition et la quantité des communautés microbiennes dans ces trois zones. "Ici aussi, la température est le facteur clé qui contrôle la biodiversité des communautés planctoniques ", explique M. Zinger. Les mers du Nord sont des zones de pêche importantes : elles dépendent de l'état actuel du plancton, qui est à la base de tous les réseaux trophiques marins. Si la composition du plancton change, les ressources alimentaires des poissons et d'autres organismes marins supérieurs, et donc aussi des humains, pourraient changer massivement.
Les conséquences du réchauffement de la planète ne sont actuellement pas prévisibles, en particulier dans les régions polaires. Toutefois, Shinichi Sunagawa estime qu'ils seront négatifs plutôt que positifs, et souligne que l'impact environnemental d'autres facteurs dépendant de la température, tels que l'appauvrissement en oxygène et l'acidification des océans, doit être mieux compris. En tant que chercheur d'analyses à forte intensité de données, il préconise donc des projets interdisciplinaires à long terme d'observation de l'océan.
Les études du consortium de recherche s'appuient sur plusieurs expéditions menées par la Fondation Tara Ocean entre 2009 et 2013. Plus de 120 chercheurs ont recueilli des échantillons de plancton dans les eaux de surface et à des profondeurs allant jusqu'à 1 000 mètres sur 210 sites le long de divers transects dans tous les océans. Le but des expéditions était d'étudier les écosystèmes planctoniques dans le contexte du changement climatique.
Références
Salazar G. et coll. et Gene Expression Changes and Community Turnover Differentially Shape the Global Ocean Metatranscriptome. Cell (2019), publié en ligne le 14 novembre 2019. doi : 10.1016/j.cell.2019.10.014
Ibarbalz FM. Tendances mondiales de la diversité du plancton marin dans tous les royaumes de la vie. Cellule (2019), publiée en ligne le 14 novembre 2019, doi : 10.1016/j.cell.2019.10.008