L'azote est un composant essentiel de tous les organismes vivants. C’est également l’élément clé qui contrôle la croissance des cultures terrestres, ainsi que celle des plantes océaniques microscopiques qui produisent la moitié de l’oxygène de notre planète. L'azote atmosphérique est de loin le plus grand réservoir d'azote, mais les plantes ne peuvent pas le transformer en une forme utilisable.
Au lieu de cela, les plantes cultivées comme le soja, les pois et la luzerne (collectivement connues sous le nom de légumineuses) ont acquis des partenaires bactériens rhizobiens qui « fixent » l'azote atmosphérique en ammonium. Ce partenariat fait des légumineuses l'une des sources de protéines les plus importantes dans la production alimentaire.
Des scientifiques de l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, en Allemagne, rapportent désormais dans Nature , que les rhizobiums peuvent également former des partenariats similaires avec de minuscules plantes marines appelées diatomées, une découverte qui résout un mystère marin de longue date et qui a des applications agricoles potentiellement d'une grande portée.
Pendant de nombreuses années, on a supposé que la majeure partie de la fixation de l’azote dans les océans était réalisée par des organismes photosynthétiques appelés cyanobactéries. Cependant, dans de vastes régions de l’océan, il n’y a pas suffisamment de cyanobactéries pour expliquer la fixation mesurée de l’azote. Ainsi, une controverse a éclaté, de nombreux scientifiques émettant l'hypothèse que des micro-organismes non cyanobactériens devaient être responsables de la fixation « manquante » de l'azote.
"Depuis des années, nous avons découvert des fragments de gènes codant pour l'enzyme nitrogénase fixatrice d'azote, qui semblaient appartenir à un fixateur d'azote non cyanobactérien particulier", explique Marcel Kuypers, auteur principal de l'étude. "Mais nous ne pouvions pas déterminer précisément qui était cet organisme énigmatique et ne savions donc pas s'il était important pour la fixation de l'azote."
En 2020, les scientifiques ont voyagé de Brême vers l’Atlantique Nord tropical pour rejoindre une expédition impliquant deux navires de recherche allemands. Ils ont collecté des centaines de litres d’eau de mer dans la région, dans laquelle a lieu une grande partie de la fixation mondiale de l’azote marin, dans l’espoir d’identifier et de quantifier l’importance de ce mystérieux fixateur d’azote. Il leur a fallu les trois années suivantes pour enfin reconstituer son génome.
"Cela a été un travail de détective long et minutieux", explique Bernhard Tschitschko, premier auteur de l'étude et expert en bioinformatique, "mais en fin de compte, le génome a résolu de nombreux mystères."
La première était l'identité de l'organisme. "Alors que nous savions que le gène de la nitrogénase provenait d'une bactérie apparentée à Vibrio, de manière inattendue, l'organisme lui-même était étroitement lié aux rhizobiums qui vivent en symbiose avec les légumineuses", explique Tschitschko. Avec son génome étonnamment petit, cela a soulevé la possibilité que les rhizobiums marins pourraient être un symbiote.
La première symbiose connue de ce type
Encouragés par ces découvertes, les auteurs ont développé une sonde génétique qui pourrait être utilisée pour marquer les rhizobiums par fluorescence. Une fois qu'ils l'ont appliqué aux échantillons d'eau de mer originaux collectés dans l'Atlantique Nord, leurs soupçons selon lesquels il s'agissait d'un symbiote ont été rapidement confirmés.
"Nous avons trouvé des ensembles de quatre rhizobiums, toujours assis au même endroit à l'intérieur des diatomées", explique Kuypers. "C'était très excitant car il s'agit de la première symbiose connue entre une diatomée et un fixateur d'azote non cyanobactérien."
Les scientifiques ont nommé le symbiote nouvellement découvert Candidatus Tectiglobus diatomicola. Après avoir finalement déterminé l'identité du fixateur d'azote manquant, ils se sont concentrés sur la façon dont les bactéries et les diatomées vivent en partenariat. Grâce à une technologie appelée nanoSIMS, ils pourraient montrer que les rhizobiums échangent de l'azote fixe avec la diatomée en échange de carbone. Et elle y consacre beaucoup d'efforts :"Pour soutenir la croissance de la diatomée, la bactérie fixe 100 fois plus d'azote qu'elle n'en a besoin pour elle-même", explique Wiebke Mohr, l'un des scientifiques du journal.
L’équipe s’est ensuite retournée vers les océans pour découvrir à quel point la nouvelle symbiose pourrait être répandue dans l’environnement. Il s'est rapidement avéré que ce partenariat récemment découvert se retrouve dans tous les océans du monde, en particulier dans les régions où les fixateurs d'azote cyanobactériens sont rares. Ainsi, ces minuscules organismes sont probablement des acteurs majeurs dans la fixation totale de l'azote océanique et jouent donc un rôle crucial dans le maintien de la productivité marine et de l'absorption océanique mondiale du dioxyde de carbone.
Un candidat clé pour l'ingénierie agricole ?
Outre son importance pour la fixation de l’azote dans les océans, la découverte de la symbiose laisse présager d’autres opportunités passionnantes dans le futur. Kuypers est particulièrement enthousiasmé par ce que signifie cette découverte d'un point de vue évolutif.
"Les adaptations évolutives de Ca. T. diatomicola sont très similaires à celles de la cyanobactérie endosymbiotique UCYN-A, qui fonctionne comme un organite fixateur d'azote à un stade précoce. Par conséquent, il est vraiment tentant de supposer que Ca. T. diatomicola et son hôte diatomée pourrait également en être aux premiers stades de devenir un organisme unique. "
Tschitschko convient que l'identité et la nature organite du symbiote sont particulièrement intrigantes :« Jusqu'à présent, il a été démontré que de tels organites provenaient uniquement des cyanobactéries, mais les implications de leur découverte parmi les rhizobiales sont très intéressantes, étant donné que ces bactéries sont extrêmement importantes pour l'agriculture. La petite taille et la nature organite des rhizobiales marines signifient qu'elles pourraient un jour être un candidat clé pour concevoir des plantes fixatrices d'azote. "
Les scientifiques vont maintenant continuer à étudier la symbiose nouvellement découverte et voir si d'autres similaires existent également dans les océans.
Plus d'informations : Bernhard Tschitschko et al, La symbiose rhizobia-diatomée corrige l'azote manquant dans l'océan, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07495-w
Informations sur le journal : Nature
Fourni par la Société Max Planck
