L’analyse révèle une diversité aux plus petites échelles dans les microbes des marais salants à cycle de soufre

En surface, les marais salants et leurs herbes balayées par le vent peuvent paraître d’une simplicité trompeuse. Mais ces marais regorgent de biodiversité, depuis les insectes et les oiseaux migrateurs dans l’air jusqu’aux microbes qui vivent dans le sol. Des scientifiques du Laboratoire de biologie marine (MBL) ont découvert que même parmi les microbes à cycle de soufre responsables de l’odeur de « gaz d’œuf pourri » dans l’air des marais salants, la diversité s’étend jusqu’aux génomes et même aux nucléotides individuels.

Pour étudier la relation entre les spartines des marais salants et les microbes à cycle de soufre qui vivent dans les sédiments autour de leurs racines, les scientifiques du MBL ont analysé des ensembles de données séquencées par ADN de microbes collectés sur des sites de marais salants du Massachusetts et de l’Alabama. Cette analyse approfondie de la diversité microbienne du cycle du soufre dans les marais salants, depuis leur génome entier jusqu’aux nucléotides uniques, a été publiée le 26 octobre dans Microbiologie appliquée et environnementale.

Dans les marais salants, le cycle du soufre est étroitement lié à celui du carbone, et les marais salants en bonne santé stockent une très grande quantité de carbone dans la tourbe et les minéraux associés du sol.

“Nous savons depuis des décennies à quel point les communautés microbiennes sont incroyablement diverses dans les marais salants”, a déclaré Zoe Cardon, scientifique principale du MBL. “Grâce à ces outils de séquençage et d’analyse approfondis, nous pouvons désormais prélever un échantillon de sédiments de marais salants et non seulement effectuer le séquençage nécessaire pour identifier les microbes qui s’y trouvent, mais également construire par ordinateur une représentation de leurs génomes individuels.”

Ces représentations sont appelées génomes assemblés par métagénome (MAG), et elles peuvent être analysées par ordinateur sans qu’il soit nécessaire de cultiver les microbes individuels dans une boîte de Pétri. C’est important, car très peu de microbes de la planète ont été cultivés. Dans cette seule étude, 29 des 38 MAG isolés provenaient de bactéries qui n’avaient jamais été cultivées.

“Nous avons étudié les communautés microbiennes de deux manières : en examinant les différences au niveau de la séquence d’ADN mononucléotidique – à l’échelle littérale de l’ATCG – et en les comparant au niveau pangénomique. Il était fascinant de développer ce pipeline métagénomique pour analyser ces données, ” a déclaré Sherlynette Pérez Castro, co-auteur principal du document. Pérez Castro était chercheur postdoctoral au Cardon Lab du MBL et a depuis occupé un poste à l’Université de Géorgie.

Cardon l’a décrit comme la recherche d’une aiguille dans une botte de foin pleine d’aiguilles. “Mais grâce à ce séquençage relativement profond et à ces approches analytiques étonnantes, vous pouvez voir les choses à un niveau différent : au lieu d’être un tas d’aiguilles, vous pouvez désormais voir une aiguille rouge ou une aiguille bleue”, a-t-elle déclaré.

Il existe deux principaux types de bactéries cyclant le soufre : les réducteurs de sulfate, qui aident à décomposer la matière organique mais libèrent un sulfure toxique pour les plantes, et les oxydants de soufre, qui éliminent ce sulfure toxique et soutiennent ainsi la productivité des plantes des marais. Les microbes travaillent ensemble pour soutenir la santé de ces plantes et de cet écosystème.

“Pour tous les organismes, il existe une spécificité dans la manière dont les micro-organismes et l’hôte interagissent. Nous voulons comprendre comment les plantes et les bactéries cyclant le soufre travaillent ensemble”, a déclaré Elena L. Peredo, co-auteur principal de l’article. Peredo est scientifique adjoint au MBL Ecosystems Center et professeur adjoint au Rochester Institute of Technology.

Pour Peredo, l’une des choses les plus excitantes était la façon dont certains microbes étaient étroitement liés les uns aux autres. “Deux des bactéries étaient presque identiques jusqu’à ce que l’on se penche sur des voies métaboliques spécifiques. Habituellement, dans la nature, lorsque vous avez deux organismes aussi étroitement liés, l’un surpasse l’autre”, a-t-elle déclaré. De la même manière, les lions et les tigres ne se trouvent pas dans le même écosystème : il n’existe pas de ressources adéquates pour les soutenir tous les deux.

“Les microbes ont différentes combinaisons de gènes indiquant des variations légèrement différentes sur les thèmes de la réduction des sulfates et de l’oxydation du soufre, et certaines de ces variations peuvent expliquer pourquoi tant de types différents de microbes cyclant le soufre peuvent tous gagner leur vie dans les sédiments des marais salants.” dit Cardon.

Un travail d’équipe diversifié

Le travail a commencé comme un projet pandémique mené par des scientifiques du Centre de l’écosystème du MBL et du Centre Josephine Bay Paul pour la biologie moléculaire comparée et l’évolution. Le groupe a étudié la symbiose entre la spartine et les microbes cyclant le soufre au cours de l’été 2020, mais la pandémie a interrompu les travaux sur le terrain. Le personnel de MBL s’est donc associé à des scientifiques qui disposaient déjà de très grands ensembles de données de séquençage d’ADN provenant de microbes présents dans les sédiments des marais salants du Massachusetts et de l’Alabama, et le projet a été lancé.

Le téléchargement initial des données et l’exploration préliminaire ont été réalisés avec l’aide de cinq étudiants d’été de plusieurs universités soutenus par deux programmes de recherche d’été de premier cycle : le programme de recherche d’été de premier cycle de Metcalf (SURF) et le programme d’éducation en partenariat de Woods Hole (PEP).

“Ce qui a commencé comme un projet à l’ère d’une pandémie qui pouvait être réalisé pendant que les scientifiques travaillaient à domicile, s’est transformé en une exploration passionnante de divers microbes cyclant le soufre dans les marais salants”, a déclaré Cardon. Ce faisant, le groupe a développé une toute nouvelle manière d’intégrer les analyses métagénomiques issues de diverses perspectives scientifiques.

“Une véritable force du MBL est que c’est un lieu où tous les types de (scientifiques) peuvent travailler ensemble”, a déclaré Cardon. “Sur cet article, nous avions des personnes intéressées par les moteurs de l’évolution, des personnes intéressées par la fonction écologique, des personnes intéressées par les plantes – des personnes abordant tout cela sous des angles différents mais avec un intérêt commun.”