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En analysant les gains et les pertes dans les gènes d'échantillons de phytoplancton collectés dans toutes les grandes régions océaniques, chercheurs de l'Université de Californie, Irvine a créé la carte la plus nuancée et la plus haute résolution à ce jour pour montrer où ces organismes photosynthétiques prospèrent ou sont obligés de s'adapter à des quantités limitées de nutriments clés, azote, phosphore et fer.
Dans le cadre de la nouvelle initiative Bio-GO-SHIP, les scientifiques de l'UCI ont effectué huit déploiements sur six navires de recherche différents, passer 228 jours en mer dans l'Atlantique, Océans Pacifique et Indien. Ils ont généré près de 1, 000 métagénomes océaniques de 930 emplacements à travers le monde, avec une distance moyenne entre les points de collecte à 26,5 kilomètres (environ 16,5 miles).
Dans une étude publiée aujourd'hui dans Science , les chercheurs de l'UCI expliquent comment ils ont utilisé une mine d'informations intégrées dans les gènes microbiens, en particulier de l'espèce de phytoplancton Prochlorococcus, en tant que biocapteur de la santé et de la productivité des océans. Les océanographes travaillant dans ce domaine sont vivement intéressés à comprendre comment ces organismes s'adaptent au « stress nutritif, " qui est la lutte pour trouver ou utiliser les substances essentielles dont ils ont besoin pour grandir et se reproduire.
"Le phytoplancton est à la base du réseau trophique marin, et ils sont responsables de près de la moitié de la fixation mondiale du dioxyde de carbone sur une base continue, la santé et la distribution de ces organismes sont donc très importantes, " a déclaré le co-auteur principal Adam Martiny, Professeur UCI de science du système Terre. "Les connaissances acquises lors de ces voyages aideront les climatologues à faire des prédictions plus solides sur le rôle du phytoplancton dans la régulation des stocks de carbone dans l'atmosphère et l'océan."
Étant donné que le phytoplancton microbien vit en grandes populations et a des cycles de vie rapides, les chercheurs suggèrent que les changements dans la composition de la communauté et le contenu génomique peuvent fournir un avertissement précoce sur les transformations environnementales et le faire beaucoup plus rapidement qu'en analysant simplement la physique et la chimie des océans.
"Azote, la limitation du phosphore et du fer dans de nombreuses régions océaniques de surface est presque impossible à détecter par l'analyse chimique d'échantillons d'eau ; les quantités de ces éléments sont tout simplement trop faibles, " a déclaré l'auteur principal Lucas Ustick, un étudiant diplômé de l'UCI en écologie et biologie évolutive. "Mais quantifier les changements dans les gènes de Prochlorococcus impliqués dans l'absorption des principaux nutriments, et leurs combinaisons, fournit un indicateur fort de la géographie du stress nutritionnel. »
Les auteurs ont souligné que tous les génomes de Prochlorococcus comprennent un certain gène qui permet au phytoplancton d'assimiler directement le phosphate inorganique librement disponible dans l'eau de mer. Mais quand ce composé est rare, le phytoplancton s'adapte en acquérant un gène qui permet aux cellules de capter le phosphore organique dissous, qui peuvent être détectés dans leur génome.
Les chercheurs ont également étudié de nombreux autres exemples d'adaptations génétiques pour différents niveaux de phosphore, le fer et l'azote dans l'environnement pour voir quels types de compromis le phytoplancton fait en permanence. Il en a résulté une carte mondiale du stress nutritionnel. Les chercheurs ont également pu identifier des régions où le phytoplancton subit un co-stress impliquant deux éléments ou plus, l'un d'eux étant presque toujours l'azote.
Alyse Larkin, Chercheur postdoctoral UCI en science du système Terre, et Jenna Lee, technicien de laboratoire, débarquer le navire de recherche RRS James Clark Ross dans les îles Falkland. Les deux ont été impliqués dans une mission Bio-GO-SHIP pour collecter des échantillons de phytoplancton dans l'océan de surface et les analyser pour déterminer leur contenu génétique. Les résultats de ce travail donnent une idée claire, carte haute résolution de la santé et de la répartition de ces importants organismes photosynthétiques. Crédit :Alyse Larkin / UCI
Le travail de l'équipe a révélé l'océan Atlantique Nord, La mer Méditerranée et la mer Rouge sont des régions de stress phosphoreux élevé. Les génotypes adaptés au stress azoté sont répandus dans les régions dites oligotrophes où les nutriments sont faibles et l'oxygène est élevé, et les résultats de l'échantillonnage de la recherche suggèrent une adaptation généralisée au stress dû au fer.
L'analyse des génotypes du phytoplancton a confirmé les modèles biogéographiques connus du stress nutritif estimé par différentes techniques, mais il a également révélé des régions auparavant inconnues de stress nutritionnel et de co-stress. Les chercheurs avaient une compréhension limitée du stress nutritif dans l'océan Indien avant leur analyse métagénomique, mais leur travail a aidé à combler de nombreux vides. Ils savent maintenant que la région de l'upwelling de la mer d'Oman est une zone de stress ferreux, et ils ont détecté un stress de phosphore associé aux courants océaniques s'écoulant vers le sud, parmi de nombreuses autres découvertes.
Toujours, ils disent, il y a toujours plus à apprendre.
« Nos travaux mettent en évidence des lacunes dans nos mesures des environnements de haute latitude, dans la majeure partie de l'océan Pacifique, et dans les écosystèmes d'eau plus profonde, " a déclaré la co-première auteure Alyse Larkin, Chercheur postdoctoral UCI en science du système Terre. "Les progrès que nous avons réalisés lors de nos récentes expéditions nous incitent à partir et à parcourir la planète entière."
