Les ressources en eau douce sont limitées, ne représentant que 3,5 % de l’eau de la Terre, dont seulement 0,25 % sont accessibles en surface. Néanmoins, les lacs d’eau douce sont essentiels au fonctionnement des écosystèmes et au cycle mondial du carbone en raison de leur productivité biologique élevée et de leur activité microbienne. Ils sont essentiels à la survie humaine, fournissant de l’eau potable et soutenant l’agriculture, la pêche et les loisirs. Cependant, le changement climatique, en particulier la hausse des températures, menace ces habitats en perturbant les communautés microbiennes essentielles au cycle des nutriments et au maintien de la qualité de l'eau.

"Compte tenu des rôles essentiels que jouent les espèces bactériennes dans les environnements d'eau douce et de leurs fonctions écologiques vitales, comprendre leur capacité d'adaptation aux conditions environnementales changeantes est crucial pour la résilience des écosystèmes et la gestion durable des ressources", explique Adrian-Stefan Andrei. Il dirige le laboratoire d'évogénomique microbienne du département de biologie végétale et microbienne de l'Université de Zurich (UZH).

Son équipe de recherche a analysé des échantillons de séries chronologiques provenant de cinq lacs d'eau douce européens, collectés entre 2015 et 2019 :le lac de Zurich, le lac de Thoune et le lac de Constance en Suisse, ainsi que le réservoir Římov et l'étang Jiřická en République tchèque. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .

"Bien que l'adaptation de niche soit le principal mécanisme évolutif à l'origine de la diversification des populations et de l'émergence de nouvelles espèces, nos résultats montrent de manière surprenante que de nombreuses bactéries d'eau douce abondantes et dotées de petits génomes connaissent souvent de longues périodes d'arrêt adaptatif", explique Andrei.

Ce blocage des processus adaptatifs remet en question l'attente conventionnelle selon laquelle les espèces microbiennes peuvent s'adapter aux conditions environnementales changeantes.

"Compte tenu des fonctions vitales que jouent ces communautés microbiennes dans les systèmes d'eau douce, notre étude souligne l'importance de comprendre les limites de l'adaptabilité bactérienne", ajoute le chercheur.

Protéines sécrétées comme indicateurs de l'adaptation évolutive

Les bactéries s'adaptent à leur environnement en utilisant des protéines spécialisées, qui peuvent être sécrétées dans le milieu environnant ou liées à leurs membranes cellulaires. Ces protéines jouent un rôle crucial dans l’absorption des nutriments, la communication interbactérienne ainsi que la détection et la réponse aux stimuli environnementaux. L'adaptabilité des bactéries repose généralement sur la diversité génétique au sein des gènes codant pour ces protéines.

Les chercheurs montrent cependant maintenant que chez les bactéries d’eau douce abondantes et dont le génome est de taille réduite, il existe étonnamment peu de variation dans ces gènes, ce qui indique une phase de stagnation adaptative. Ces bactéries peuvent donc avoir du mal à s'adapter aux conditions environnementales changeantes.

Capacité limitée à s'adapter à des environnements changeants

"Nos observations suggèrent que ces bactéries ont probablement atteint des sommets de forme physique en atteignant des structures protéiques et des niveaux d'activité idéaux", explique Andrei.

Leurs protéomes ont déjà atteint un état optimal au cours de l’évolution, où de nouveaux changements majeurs ne sont ni avantageux ni nécessaires pour que les organismes survivent et s’adaptent à leurs niches actuelles. Cette rigidité inhérente limite la capacité de ces organismes à explorer de nouvelles variations génétiques et à s'adapter efficacement aux conditions environnementales dynamiques.

"Ces connaissances sont cruciales alors que nous faisons face aux impacts croissants du changement climatique, qui menace considérablement les habitats d'eau douce, des environnements particulièrement sensibles aux changements anthropiques", conclut Andrei.