La découverte d'une extraordinaire symbiose marine résout l'un des grands mystères de l'océan

Une équipe dirigée par l'Institut Max Planck de microbiologie marine a mis au jour la symbiose entre une bactérie Rhizobium et une algue marine du groupe des diatomées. Ce couple d'organismes permettrait d'expliquer une grande partie de la fixation de l'azote dans l'océan – un processus crucial.

C'était l'un des grands mystères dont les biologistes marins cherchaient encore la clé : comment, en dehors des régions océaniques riches en cyanobactéries, les végétaux marins obtiennent-ils de l'azote sous une forme qu'ils sont capables d'assimiler ?

Il aura fallu une grande expédition océanographique depuis la côte allemande jusqu'aux zones tropicales de l'Atlantique Nord, et quatre années d'analyses ADN, pour résoudre l'énigme. La réponse, dévoilée dans une étude publiée par la revue Nature (9 mai 2024), tient en un mot : la symbiose.

Cette association très intime entre deux êtres vivants a façonné la planète telle que nous la connaissons aujourd'hui, depuis les récifs coralliens (symbiose entre le corail et l'algue zooxanthelle) jusqu'à la mycorhize,  fine dentelle qui fait vivre nos sols (symbiose entre des champignons et les racines des plantes). Et trouve désormais une nouvelle illustration.

Un travail de détective

Partie de la côte allemande à bord de deux navires direction les tropiques en 2020, l'équipe dirigée par des chercheurs de l'Institut Max Planck de microbiologie marine a recueilli plusieurs centaines de litres d'eau de mer. Dans cet échantillon massif, il leur a d'abord fallu repérer le gène codant pour une enzyme impliquée dans la fixation biologique de l'azote, pour ensuite reconstituer pas à pas le reste du génome de l'organisme inconnu qui s'avérait capable d'effectuer cette transformation chimique.

"Il s'est agi d'un travail de détective long et minutieux", confie Bernhard Tschitschko, premier auteur de l'étude et expert en bio-informatique (communiqué), "mais en fin de compte, le génome a résolu de nombreux mystères. Nous savions que le gène de la nitrogénase provenait d'une bactérie apparentée (au genre) Vibrio, mais de manière inattendue, l'organisme lui-même était étroitement lié aux (bactéries) Rhizobia qui vivent en symbiose avec les légumineuses."

En effet, sur la terre ferme, les bactéries du genre Rhizobium se trouvent en symbiose avec les racines des plantes légumineuses, telles que les haricots ou les pois, au niveau de petits renflements appelés "nodosités". En échange d'azote assimilable par ses propres cellules, le végétal fournit à son minuscule symbiote de l'énergie ainsi qu'un milieu pauvre en oxygène, propice à son activité.

Mais dans l'océan, quel hôte pouvait bien héberger ces précieux fixateurs d'azote ? À l'aide d'un marquage fluorescent appliqué à ces bactéries, les auteurs de l'étude ont constaté que celles-ci se nichaient à l'intérieur de diatomées – des algues microscopiques faisant partie de la composition du plancton. Il s'agit selon eux de la " première symbiose connue entre une diatomée et un fixateur d'azote autre qu'une cyanobactérie. " 

Le stade précoce d'une fusion ?

La bactérie symbiotique, qui a reçu le nom (provisoire) de Can­did­atus Tecti­glo­bus di­at­omi­c­ola, reçoit du carbone de la part de l'algue en échange d'une forme d'azote assimilable par celle-ci… et pas qu'un peu, d'ailleurs !

" Pour soutenir la croissance de la diatomée, la bactérie fixe 100 fois plus d'azote qu'elle n'en a besoin pour elle-même ", détaille Wiebke Mohr, co-auteur de l'étude.

En retournant en mer, les scientifiques ont repéré cette nouvelle symbiose un peu partout dans le monde, en particulier dans des zones pauvres en cyanobactéries. Ce qui tend à confirmer le rôle crucial joué par cette intime alliance dans le fonctionnement de l'écosystème marin, lequel absorbe la moitié du dioxyde de carbone émis par les activités humaines, limitant ainsi en partie le réchauffement climatique.

Par ailleurs, les auteurs notent que cette symbiose bactérie-diatomée pourrait constituer le stade précoce d'une fusion entre deux organismes pour n'en former qu'un, le plus petit étant amené à devenir un simple organite, ou compartiment cellulaire, au sein du plus grand. Un processus qui s'est déjà produit au cours de l'évolution, donnant naissance aux mitochondries, les " usines à énergie " de nos cellules, ainsi qu'aux chloroplastes, sièges de la photosynthèse chez les végétaux.