Lien entre la phylogénie et la fonction des fixateurs d'azote nouvellement découverts dans les métagénomes océaniques de surface. (a) Analyse phylogénomique de 432 génomes de protéobactéries et 43 génomes de planctomycètes que Delmont et ses collègues ont caractérisés (y compris les neuf fixateurs N non photosynthétiques) à l'aide d'une collection de 37 familles de gènes marqueurs phylogénétiques. Les couches entourant l'arbre phylogénomique indiquent la taille du génome et la taxonomie de chaque génome au niveau du phylum et de la classe. (b) Réseau fonctionnel des neuf fixateurs N non photosynthétiques sur la base d'un total de 5, 912 fonctions génétiques identifiées. La taille et la couleur des nœuds génomiques représentent le nombre de fonctions détectées et la taxonomie génomique, respectivement. La couleur des nœuds fonctionnels indique leur occurrence dans les différents génomes. Crédit :Delmont et al (2018) Microbiologie naturelle , doi:10.1038/s41564-018-0176-9
Bouge, cyanobactéries ! Une étude à grande échelle de l'océan à la surface de la Terre indique que les microbes responsables de la fixation de l'azote là-bas, que l'on pensait auparavant être presque exclusivement des cyanobactéries photosynthétiques, comprennent une suite abondante et largement distribuée de populations bactériennes non photosynthétiques.
L'étude internationale, publié cette semaine dans Microbiologie naturelle , a été dirigé par A. Murat Eren (Meren) de l'Université de Chicago et du Marine Biological Laboratory (MBL), Trou de bois, et Tom O. Delmont de l'Université de Chicago.
La fixation de l'azote est un processus écologique critique dans lequel l'azote atmosphérique est converti en ammoniac, rendre l'azote « biodisponible » aux organismes vivants pour l'utiliser comme élément fondamental de l'ADN, ARN et protéines.
« Les microbes capables de fixer l'azote ou le carbone sont au centre de l'écologie des communautés microbiennes dans de nombreux environnements, y compris l'océan de surface, " dit Delmont. " Avant notre étude, on pensait que les microbes marins responsables de la fixation du carbone étaient aussi en grande partie responsables de la fixation de l'azote. Il s'avère que ce n'est pas si simple."
"La capacité des microbes à fixer l'azote est vitale pour toute vie, " dit David Mark Welch, Directeur de recherche MBL. "Cette étude élargit notre compréhension de la diversité biologique de la fixation de l'azote en fournissant la première preuve génomique que les bactéries non photosynthétiques à la surface de l'océan peuvent effectuer ces réactions."
En utilisant anvi'o, un état de l'art, plateforme bioinformatique open source pour analyser les métagénomes (le pool de séquences d'ADN qui représentent tous les organismes microbiens présents dans un environnement), l'équipe a révélé des informations sur des microbes marins auparavant inconnus avec des capacités de fixation d'azote affiliées aux protéobactéries ainsi qu'aux planctomycètes, un phylum bactérien répandu qui n'a jamais été lié à la fixation d'azote auparavant.
Ces populations microbiennes nouvellement décrites sont largement répandues et sont particulièrement abondantes dans l'océan Pacifique, où ils sont en moyenne estimés à 700, 000 cellules par litre d'eau de mer et jusqu'à 3 millions de cellules par litre, soit des ordres de grandeur de plus que les estimations précédentes pour les fixateurs d'azote non cyanobactériens en haute mer.
À partir des données générées par l'expédition Tara Oceans de 2009 à 2013, Delmont et ses collègues ont reconstitué environ 1, 000 génomes microbiens issus de plus de 30 milliards de courtes séquences métagénomiques. Sur ces 1, 000 génomes, neuf contenaient les six gènes nécessaires à la fixation de l'azote, et pourtant il manquait les gènes nécessaires à la photosynthèse. Il s'agit de la première base de données génomiques de micro-organismes non photosynthétiques habitant en haute mer et capables de fixer l'azote.
A. Murat Eren (Meren) et Tom Delmont travaillant avec les données de Tara Oceans à l'Université de Chicago en 2017. Crédit :Fran Jackson
Parce que l'équipe a reconstruit et utilisé des génomes presque complets pour leur enquête (plutôt que d'utiliser un seul gène marqueur pour la fixation de l'azote), ils pourraient résoudre les affiliations taxonomiques de ces populations fixatrices d'azote. Ils pourraient également étudier leur abondance et leur répartition dans les océans et les mers d'où provenaient les échantillons (l'Atlantique, Pacifique, les océans Indien et Austral et les mers Méditerranée et Rouge).
« Nous pouvons désormais utiliser ces génomes de population pour guider la culture en laboratoire de planctomycètes et de protéobactéries fixatrices d'azote de l'océan ouvert, " dit Delmont. " Cela nous aidera à comprendre les conditions dans lesquelles ils fixent l'azote, la complexité de leurs modes de vie fonctionnels, et d'autres aspects de leur écologie que nous ne pouvons pas comprendre en regardant simplement leurs génomes, gènes et fonctions inférées."
Meren et Delmont ont commencé cette recherche au Marine Biological Laboratory en 2015 avec le soutien d'un Lillie Innovation Award de l'Université de Chicago. Meren et son groupe continuent de développer anvi'o, la plate-forme logicielle open source utilisée dans cette étude et dans d'autres études sur l'écologie et l'évolution des microbes grâce à des données de séquençage environnementales complexes.
"Les métagénomes environnementaux nous donnent un accès pur à la complexité des populations microbiennes naturelles, " dit Meren. " Alors que notre capacité à les comprendre est à la merci de nos technologies moléculaires et de nos outils informatiques, c'est rafraîchissant de voir les deux avancer rapidement, et il y a encore tant à découvrir. Nous attendons avec impatience de voir des avancées sur le terrain corroborant ces premières informations sur les populations environnementales qui contribuent probablement à l'un des processus biochimiques les plus essentiels qui font tourner notre planète. »
"Cette étude est un autre exemple de la façon dont la résolution des génomes directement à partir de l'ADN de communautés microbiennes entières transforme notre compréhension de la diversité microbienne, " déclare le co-auteur Christopher Quince de l'Université de Warwick, Royaume-Uni.
