Les secrets de la photosymbiose révélés
La symbiose entre des cellules hôtes hétérotrophes unicellulaires et des microalgues photosynthétiques (photosymbiose) est un phénomène répandu et écologiquement important parmi le plancton vivant dans les couches ensoleillées des océans. Les hôtes symbiotiques peuvent recevoir de la nourriture de leurs symbiotes algales. Ces organismes jouent un rôle clé dans les cycles biogéochimiques marins en contribuant à la prédation et à la production primaire. La connaissance de la diversité des partenaires symbiotiques s’est récemment améliorée mais leurs interactions métaboliques restent mal comprises. Le projet Horizon 2020 MINOTAUR, financé par l’UE, a exploré les bases métaboliques de la photosymbiose planctonique en utilisant des radiolaires comme modèle écologique. L’objectif était de mieux comprendre le fonctionnement de ce partenariat et sa contribution au cycle élémentaire dans l’écosystème pélagique. Les associations impliquant des organismes photosynthétiques sont essentielles pour fournir du carbone organique à l’eau océanique et sont des puits pour le dioxyde de carbone. «Ces symbioses sont comme de petites usines où le carbone, l’azote, le phosphore et les métaux traces, éléments essentiels à la vie, sont recyclés en interne. Comprendre leur fonction dans la symbiose nous aidera à comprendre le fonctionnement mécanique et les événements évolutifs, comme l’acquisition de chloroplastes», explique le Dr Johan Decelle, coordinateur du projet. Les gènes et les voies clés révélés Les chercheurs ont utilisé l’imagerie microscopique à haute résolution pour étudier et mettre en évidence les mécanismes morphologiques et métaboliques à l’intérieur des cellules symbiotiques. «Cette approche nous permet de distinguer et de quantifier le rôle physiologique de chaque partenaire à l’échelle nanométrique, ce qui n’est actuellement pas possible avec les méthodes de la génomique», explique le Dr Decelle. Les scientifiques ont appliqué une approche monocellulaire innovante impliquant des isotopes stables et des techniques d’imagerie chimique à haute résolution pour visualiser simultanément les structures cellulaires et identifier leur rôle métabolique. Ils ont ensuite quantifié l’assimilation et le transfert des nutriments entre les partenaires dans différentes conditions expérimentales. La même approche a été appliquée aux symbiotes vivant en liberté pour déterminer le contrôle de l’hôte sur le métabolisme des symbiotes. Les analyses bioinformatiques sont toujours en cours pour identifier les gènes et les voies métaboliques clés des transcriptomes disponibles des radiolaires, leur permettant de développer une vision holistique des interactions métaboliques. Le transcriptome représente la somme totale de toutes les molécules d’ARN messager exprimées à partir des gènes de l’organisme. Chacune de ces techniques a son propre programme spécifique d’analyse et d’interprétation des commentaires de données. «Par exemple, nous pouvons calculer et comparer la teneur en azote ou en phosphore dans différentes structures cellulaires, telles que le chloroplaste ou le noyau à partir d’une image obtenue avec une spectrométrie de masse d’ions secondaires à l’échelle nanométrique. L’analyse bioinformatique est également utilisée pour traiter des images en microscopie électronique tridimensionnelle et reconstruire l’organisation architecturale des cellules en trois dimensions», observe le Dr Decelle. L’intérieur des cellules exploré Les observations en microscopie électronique ont révélé un changement morphologique radical de la microalgue symbiotique à l’intérieur de sa cellule hôte, en particulier de son appareil photosynthétique. «L’imagerie chimique nous a permis de visualiser et de quantifier la composition élémentaire et isotopique des cellules à la résolution subcellulaire pour déchiffrer les interactions métaboliques entre l’hôte et ses symbiotes photosynthétiques», souligne le Dr Decelle. Le principal résultat du projet est la capacité d’observer et de cartographier les nutriments et les molécules à l’intérieur des cellules à une résolution à l’échelle nanométrique, qui identifie les phénomènes clés de l’interaction symbiotique au niveau subcellulaire. «Bien que ces organismes soient largement répartis et relativement abondants à la surface des océans, nos résultats fournissent un premier aperçu de l’intérieur de l’ultrastructure et de la chimie des cellules», affirme le Dr Decelle. «La transformation morphologique de la microalgue à l’intérieur d’une cellule hôte révélée par la microscopie électronique de pointe est également une découverte importante.» MINOTAUR a repoussé les limites de la recherche en biologie marine en intégrant des connaissances sur la biodiversité et la physiologie avec des études écologiques. Cela permettra une meilleure compréhension du fonctionnement des écosystèmes aquatiques et de leurs réponses aux différents stress environnementaux, comme l’augmentation de la température et la limitation des nutriments.
Mots‑clés
MINOTAUR, photosymbiose, bioinformatique, microalgues, radiolaires