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Exploring the mechanisms underlying the evolution of plastids through the study of an unusual nitrogen-fixing symbiosis

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Mise en lumière de l’évolution d’une symbiose marine microscopique

Si les symbioses sont connues pour être des moteurs naturels de l’innovation, les mécanismes qui sous-tendent ces relations demeurent insaisissables. Une symbiose océanique récemment découverte entre une cyanobactérie unicellulaire et une algue eucaryote révèle des indices sur son passé évolutif et son avenir potentiel.

Recherche fondamentale

Selon Lynn Margulis, la symbiose constitue la force la plus puissante de l’évolution, car elle est à l’origine de toute la vie complexe qui prévaut actuellement sur Terre. Par conséquent, comprendre la manière dont les relations symbiotiques s’établissent et se développent est fondamental pour appréhender la nature et la vie elle-même. Le projet UCYN2PLAST, soutenu par l’UE, s’est concentré sur un partenariat symbiotique, découvert il y a à peine dix ans, entre une cyanobactérie unicellulaire, UCYN-A, et une microalgue unicellulaire eucaryote, Prymnesiophyceae. «L’interaction entre les deux espèces est si étroite qu’elles semblent se fondre en une seule espèce», explique Francisco M. Cornejo Castillo, chargé de recherche. «Ceci est un exemple contemporain rare d’une symbiose qui évolue vers quelque chose d’autre – un plaste». Les plastes sont des organites membranaires que l’on trouve dans toutes les cellules eucaryotes, y compris les plantes et les animaux, où ils remplissent des fonctions métaboliques essentielles. Le projet a permis de comprendre la symbiose UCYN-A de manière plus détaillée que ce qui était possible auparavant. Il a caractérisé la diversité de l’organisme et sa distribution océanique, ainsi que les mécanismes impliqués dans la communication entre les deux partenaires et les substances chimiques échangées.

Visualiser la symbiose

La bourse d’Actions Marie Skłodowska-Curie a permis à Francisco M. Cornejo Castillo de passer près de 3 ans à l’Université de Californie Santa Cruz dans le laboratoire de Jonathan Zehr, l’homme qui a découvert la symbiose UCYN-A. Francisco M. Cornejo Castillo y a étudié différents aspects de la symbiose UCYN-A, en appliquant une série de techniques de laboratoire et de calcul à son écologie et à sa physiologie. Ces techniques incluaient notamment la génomique unicellulaire, la microscopie à épifluorescence, la PCR quantitative et le séquençage d’ADN à haut débit. En combinant les différentes méthodologies, l’équipe a visualisé la symbiose UCYN-A dans des échantillons naturels collectés dans différentes zones océaniques. L’un des principaux objectifs consistait à en savoir plus sur les canaux et les substances chimiques impliqués dans la communication hôte-symbiote. À l’aide de sondes spécialement conçues, l’équipe a visualisé l’expression synchronisée de protéines entre les partenaires symbiotiques, indiquant qu’une «conversation» chimique était en cours. «Ce fut une véritable prouesse technique. Je n’oublierai jamais l’excitation que j’ai ressentie la première fois que j’ai pu réellement écouter cette “conversation”», fait remarquer Francisco M. Cornejo Castillo.

Une découverte clé liée à l’échange de nutriments

Des expériences antérieures menées par le Laboratoire Zehr avaient révélé que la microalgue hôte d’UCYN-A ne montrait pas un grand intérêt pour l’absorption de nutriments, en particulier le nitrate et l’ammonium, de la manière typique des algues. Au cours du projet UCYN2PLAST, l’équipe a découvert que les protéines impliquées dans l’absorption des nutriments environnementaux sont situées dans une partie différente de la cellule que chez d’autres espèces d’algues. Ces protéines sont orientées vers UCYN-A, qui se trouve à l’intérieur de la cellule de l’algue, et non vers l’extérieur de la cellule, ce qui est plus habituel chez les autres espèces d’algues. «Il semble que la microalgue hôte sait que UCYN-A peut fournir ces nutriments et qu’elle n’a donc pas besoin d’orienter ses protéines comme les autres algues, en concurrence avec d’autres micro-organismes», ajoute Francisco M. Cornejo Castillo.

Tirer profit du laboratoire de la nature

L’UCYN-A ne possède pas les caractéristiques typiques des autres processus cyanobactériens, comme la photosynthèse oxygénique ou la fixation du CO2, et les puise dans la matière organique fournie par l’algue hôte. En retour, UCYN-A fournit à l’algue une source d’azote. Étant donné que la productivité de l’algue dépend de l’azote, il a été suggéré que cette relation symbiotique pourrait éventuellement produire un plaste fixateur d’azote dans un processus similaire à l’origine des chloroplastes. «La poursuite des recherches permettra de faire davantage la lumière sur d’anciens processus symbiotiques, qui seraient autrement presque impossibles à étudier. Par ailleurs, étant donné que la symbiose constitue une source inépuisable d’innovation biologique, elle présente un potentiel pour des applications biotechnologiques. À l’avenir, UCYN-A pourrait peut-être nous aider à fabriquer des plastes à l’intérieur des plantes en tant qu’engrais vert», explique Francisco M. Cornejo Castillo.

Mots‑clés

UCYN2PLAST, symbiose, cellules eucaryotes, plaste, UCYN-A, protéine, algues, cyanobactérie, génomique, ADN, symbiose, océan

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