La surprise des diatomées pourrait réécrire le cycle mondial du carbone

En ce qui concerne les diatomées qui vivent dans l’océan, de nouvelles recherches suggèrent que la photosynthèse n’est pas la seule stratégie d’accumulation du carbone. Au contraire, ces planctons unicellulaires construisent également de la biomasse en se nourrissant directement de carbone organique dans de larges étendues de l’océan.

Ces nouvelles découvertes pourraient amener les chercheurs à réduire leur estimation de la quantité de dioxyde de carbone que les diatomées extraient de l’air via la photosynthèse, ce qui pourrait à son tour modifier notre compréhension du cycle global du carbone, ce qui est particulièrement pertinent compte tenu du changement climatique.

Cette recherche est menée par des bioingénieurs, des experts en bioinformatique et d’autres chercheurs en génomique de l’Université de Californie à San Diego. Les résultats sont publiés dans Progrès scientifiques le 17 juillet 2024. L’article s’intitule « Croissance mixotrophique d’une diatomée marine omniprésente ».

L’équipe a montré que la diatomée Cylindrotheca closterium, présente dans les océans du monde entier, effectue régulièrement un mélange simultané de photosynthèse et de consommation directe de carbone provenant de sources organiques telles que le plancton.

Dans plus de 70 % des échantillons d’eau analysés par les chercheurs dans les océans du monde entier, l’équipe a trouvé des signes de photosynthèse simultanée et de consommation directe de carbone organique par Cylindrotheca closterium.

L’équipe a également montré que cette espèce de diatomée peut croître beaucoup plus rapidement en consommant du carbone organique en plus de la photosynthèse.

En outre, les nouvelles recherches laissent entrevoir la possibilité alléchante que des espèces spécifiques de bactéries alimentent directement en carbone organique un pourcentage important de ces diatomées vivant dans l’ensemble de l’océan mondial.

Ces travaux s’appuient sur une approche de modélisation métabolique à l’échelle du génome que l’équipe a utilisée pour comprendre le métabolisme de la diatomée Cylindrotheca closterium. Les chercheurs ont contraint leur modèle métabolique à l’échelle du génome avec des données d’expression génétique mondiales obtenues lors de l’expédition océanique TARA. Les chercheurs pensent que c’est la première fois que des modèles à l’échelle du génome sont utilisés à l’échelle mondiale.

Les nouvelles données de modélisation métabolique de l’équipe soutiennent les récentes expériences en laboratoire suggérant que certaines diatomées pourraient s’appuyer sur des stratégies autres que la photosynthèse pour absorber le carbone dont elles ont besoin pour survivre, prospérer et développer leur biomasse.

L’équipe dirigée par l’UC San Diego est en train d’élargir la portée du projet pour déterminer dans quelle mesure cette activité non photosynthétique est répandue parmi d’autres espèces de diatomées.

Les bactéries océaniques nourrissent-elles les diatomées ?

Lorsque l’équipe a examiné les paramètres physiques et chimiques mesurés dans leurs échantillons d’eau de mer, notamment la température, le pH, la salinité, la lumière, la disponibilité de l’azote et du carbone, elle n’a trouvé aucune corrélation entre ces paramètres et une tendance des diatomées à s’éloigner des stratégies de photosynthèse uniquement.

Cependant, l’équipe a trouvé un signal clair en explorant des populations bactériennes spécifiques coexistant avec la diatomée Cylindrotheca closterium dans les échantillons d’eau de mer. Cette découverte suggère des interactions bactéries-diatomées qui entraînent le mélange simultané de photosynthèse et de consommation directe de carbone organique, un phénomène connu sous le nom de « mixotrophie ».

L’équipe pense que des bactéries spécifiques pourraient nourrir directement les diatomées, aidant ces dernières à devenir l’un des microbes les plus performants et les plus importants de la planète, en termes de production d’oxygène, de séquestration du carbone et en tant que fondement des réseaux alimentaires qui soutiennent presque toute la vie dans l’océan.

« Les diatomées contribuent de manière importante aux chaînes alimentaires marines et sont des moteurs clés du cycle mondial du carbone. Auparavant, nous avons estimé tous les modèles de cycle du carbone en supposant que le seul rôle joué par les diatomées est la fixation du dioxyde de carbone », a déclaré le professeur Karsten Zengler de l’UC San Diego, professeur aux départements de pédiatrie et de bio-ingénierie et chercheur au Centre d’innovation du microbiome de la Jacobs School of Engineering.

« Nos résultats démontrent que ce n’est pas le cas, mais que les diatomées consomment également du carbone organique. En d’autres termes, nous avons montré que les diatomées ne dépendent pas exclusivement de la fixation du dioxyde de carbone pour leur croissance et leur production de biomasse. Nous pensons que ces résultats auront des implications majeures pour notre compréhension du cycle global du carbone. »

« Bien que des observations curieuses aient été faites en laboratoire sur les diatomées qui s’écartent de la photosynthèse, il était impossible de tester le type de métabolisme que ces diatomées effectuent dans l’océan – jusqu’à présent. En effet, de très nombreux gènes sont impliqués dans ce processus, et il est très difficile de déterminer quel processus est actif à partir des seules données d’expression génétique. Notre approche permet de contourner ce défi. »

L’équipe de recherche espère que ces travaux susciteront l’intérêt d’examiner de plus près notre compréhension du cycle global du carbone, en tenant compte de cette nouvelle compréhension plus large de la manière dont les diatomées océaniques obtiennent leur carbone.

Ce que les bactéries qui nourrissent les diatomées peuvent tirer de cette relation est une autre question qui mérite d’être approfondie.