À mesure que la planète se réchauffe, les scientifiques s’inquiètent depuis longtemps de la possibilité que des gaz à effet de serre nocifs s’échappent du dégel du pergélisol arctique. Des estimations récentes suggèrent que d’ici 2100, la quantité de dioxyde de carbone et de méthane rejetée par ces terres perpétuellement gelées pourrait être comparable aux émissions des grands pays industrialisés. Cependant, de nouvelles recherches menées par une équipe de scientifiques du microbiome de l'Université d'État du Colorado suggèrent que ces estimations pourraient être trop faibles.
Les micro-organismes sont responsables du processus qui générera des gaz à effet de serre provenant du dégel des tourbières du Nord, qui contiennent environ 50 % du carbone du sol mondial. Pour l'instant, de nombreux microbes présents dans cet environnement sont gelés et inactifs.
Mais à mesure que la terre dégèle, les microbes se « réveilleront » et commenceront à se débarrasser du carbone présent dans le sol. Ce processus naturel, connu sous le nom de respiration microbienne, est à l'origine des émissions de dioxyde de carbone et de méthane prévues par les modélisateurs climatiques.
Actuellement, ces modèles supposent que cette communauté de micro-organismes, connue sous le nom de microbiome, décomposera certains types de carbone mais pas d’autres. Mais les travaux menés par la CSU et publiés cette semaine dans la revue Nature Microbiology fournit de nouvelles informations sur la façon dont ces microbes se comporteront une fois activés. La recherche démontre que les microbes du sol incrustés dans le pergélisol s'attaquent à une classe de composés que l'on pensait auparavant intouchables dans certaines conditions :les polyphénols.
"Il y avait ces réserves de carbone, par exemple des beignets, des pizzas et des chips, et nous étions à l'aise avec l'idée que les microbes allaient utiliser ces substances", a déclaré Bridget McGivern, chercheuse postdoctorale à la CSU et première auteure de l'article.
"Mais ensuite, il y a eu d'autres choses, la nourriture épicée; nous ne pensions pas que les organismes aimaient la nourriture épicée. Mais ce que notre travail montre, c'est qu'en réalité, il y a des organismes qui la mangent, et donc cela ne va pas rester simplement sous forme de carbone. , ça va être en panne."
Une plus grande quantité de carbone décomposé par la respiration microbienne produira des émissions supplémentaires de gaz à effet de serre. Mais cette nouvelle découverte a aussi d’autres implications. Certains scientifiques avaient précédemment émis l'hypothèse que l'ajout de polyphénols au permafrost arctique en train de dégeler pourrait potentiellement « désactiver » complètement ces micro-organismes, piégeant ainsi une réserve massive de carbone potentiellement problématique dans le sol. Ce concept est connu sous le nom de théorie du verrouillage enzymatique.
Cela ne semble plus être une option viable, a déclaré Kelly Wrighton, professeur agrégé au Département des sciences des sols et des cultures du Collège des sciences agricoles, dont le laboratoire a dirigé les travaux.
"Non seulement nous pensions que ces microbes ne mangeaient pas de polyphénols", a déclaré Wrighton, "nous pensions que si les polyphénols étaient là, c'était comme s'ils étaient toxiques et enfermeraient les microbes dans l'inactivité."
Le microbiome du sol a souvent été considéré comme une boîte noire en raison de sa complexité. Wrighton espère que ces nouvelles informations sur le rôle des polyphénols dans le pergélisol contribueront à modifier cette perception.
"J'aimerais dépasser ces hypothèses de boîte noire", a-t-elle déclaré. "Nous ne pouvons pas concevoir de solutions si nous ne comprenons pas le câblage et la plomberie sous-jacents d'un système."
La découverte de la relation entre les microbes du sol et les polyphénols a pris des années pour McGivern, qui a commencé à examiner ce sujet alors qu'elle travaillait sur son doctorat dans le laboratoire de Wrighton en 2017.
McGivern a commencé par une question simple. Les scientifiques ont supposé que sans oxygène, les microbes du sol ne pourraient pas décomposer les polyphénols. Cependant, les microbes intestinaux n'ont pas besoin d'oxygène pour produire ce composé :c'est ainsi que les humains extraient les bienfaits antioxydants de substances riches en polyphénols telles que le chocolat et le vin rouge.
McGivern s'est demandé pourquoi le processus serait différent dans les sols, une question particulièrement pertinente pour le pergélisol ou les terres gorgées d'eau qui contiennent peu ou pas d'oxygène.
"La motivation d'une grande partie de mon doctorat était de savoir comment ces deux choses pouvaient exister ?" » dit McGivern. "Les organismes présents dans nos intestins peuvent décomposer les polyphénols, mais pas les organismes présents dans le sol ? La réalité est que personne dans les sols ne s'y était vraiment intéressé."
McGivern et Wrighton ont testé avec succès la théorie dans une expérience en laboratoire et ont publié une étude de validation de principe en 2021. L'étape suivante consistait à la tester sur le terrain. L'équipe a eu accès à des carottes provenant d'un site de recherche dans le nord de la Suède, un endroit que les scientifiques utilisent depuis des années pour examiner les questions liées au pergélisol et au microbiome du sol.
Mais avant que McGivern puisse rechercher des preuves de dégradation des polyphénols dans les carottes, elle a d'abord dû créer une base de données de séquences génétiques correspondant au métabolisme des polyphénols. McGivern a exploité des milliers de pages de littérature scientifique existante, cataloguant les enzymes présentes dans le bétail, l'intestin humain et certains sols connus pour être responsables du processus.
Une fois la base de données créée, McGivern a comparé les résultats aux séquences génétiques exprimées par les microbes dans les échantillons de base. Effectivement, dit-elle, le métabolisme des polyphénols se produisait.
"Ce que nous avons découvert, c'est que des gènes étaient exprimés dans 58 voies différentes des polyphénols", a déclaré McGivern. "Donc, nous disons que non seulement les micro-organismes peuvent potentiellement le faire, mais qu'ils expriment en réalité, sur le terrain, les gènes de ce métabolisme."
Pourtant, il reste encore du travail à faire, a déclaré McGivern. Ils ne savent pas ce qui pourrait contraindre le processus ou la vitesse à laquelle le métabolisme se produit, deux facteurs importants pour quantifier éventuellement la quantité d'émissions supplémentaires de gaz à effet de serre qui pourraient être libérées par le pergélisol.
"L'objectif est de construire une meilleure compréhension prédictive afin que nous disposions d'un cadre que nous pouvons réellement manipuler", a déclaré Wrighton. "La crise climatique à laquelle nous sommes confrontés est si rapide. Mais pouvons-nous la modéliser ? Pouvons-nous la prédire ? La seule façon d'y parvenir est de réellement comprendre comment quelque chose fonctionne."
Plus d'informations : Bridget McGivern et al, Une cache de métabolismes polyphénols découverte dans les microbiomes des tourbières, Nature Microbiology (2024). DOI :10.1038/s41564-024-01691-0
Informations sur le journal : Microbiologie naturelle
Fourni par l'Université d'État du Colorado
