Tiny Ocean Conquerors: Comment les ancêtres des microbes Prochlorococcus ont dominé les mers sur des radeaux d'exosquelette

De nouvelles recherches suggèrent que les ancêtres côtières très anciennes du microbe Prochlorococcus ont colonisé l'océan en dérive sur des particules de chitine. Crédit: Jose-Luis Olivares/MIT

Une nouvelle étude montre que les phytoplanctons capturant le carbone ont colonisé l'océan en dérivant sur des particules de chitine.

Les chercheurs du MIT ont découvert que le Prochlorococcus, un phytoplancton vital, utilisait probablement la chitine provenant d'exosquelettes anciens comme radeaux pour s'aventurer en eaux libres, évoluant pour absorber presque autant de CO2 que les forêts terrestres et façonnant la biosphère de la Terre.

Dans l'ensemble de l'océan, des milliards de microbes semblables à des plantes forment une forêt flottante invisible. Alors qu'ils dérivent, ces petits organismes utilisent la lumière du soleil pour absorber le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Collectivement, ces phytoplanctons photosynthétiques absorbent presque autant de CO2 que les forêts terrestres du monde. Une fraction mesurable de leur musculature de capture de carbone provient du Prochlorococcus - un flotteur libre teinté d'émeraude et qui est le phytoplancton le plus abondant dans les océans d'aujourd'hui.

Mais le Prochlorococcus n'a pas toujours habité les eaux libres. Les ancêtres du microbe sont probablement restés plus proches des côtes, où les nutriments étaient abondants et où les organismes ont survécu dans des tapis microbiens communaux sur le fond marin. Comment les descendants de ces habitants côtiers ont-ils fini par devenir les centrales photosynthétiques des océans ouverts d'aujourd'hui ?

Les scientifiques du MIT estiment que la dérive était la clé. Dans une nouvelle étude, ils proposent que les ancêtres de Prochlorococcus aient acquis la capacité de se fixer sur la chitine - les particules dégradées d'exosquelettes anciens. Les microbes ont voyagé sur des copeaux en dérive, utilisant les particules comme radeaux pour s'aventurer plus loin en mer. Ces radeaux de chitine ont peut-être également fourni des nutriments essentiels, alimentant et soutenant les microbes tout au long de leur voyage.

Ainsi renforcées, des générations de microbes ont peut-être ensuite eu la possibilité d'évoluer de nouvelles capacités pour s'adapter à l'océan ouvert. Ils auraient finalement évolué vers un point où ils auraient pu sauter du navire et survivre en tant qu'habitants océaniques flottants libres vivant aujourd'hui.

« Si Prochlorococcus et d'autres organismes photosynthétiques n'avaient pas colonisé l'océan, nous regarderions une planète très différente », déclare Rogier Braakman, scientifique de la recherche dans le département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et planétaires (EAPS) du MIT. "C'est le fait qu'ils ont pu se fixer sur ces radeaux de chitine qui leur a permis de s'établir dans une partie entièrement nouvelle et massive de la biosphère de la planète, en changeant la Terre pour toujours."

Braakman et ses collaborateurs présentent leur nouvelle hypothèse de "radeau de chitine", ainsi que des expériences et des analyses génétiques soutenant l'idée, dans une étude publiée le 9 mai dans PNAS.

Les co-auteurs du MIT sont Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero et la professeure titulaire du MIT Sallie (Penny) Chisholm, ainsi que des collègues de multiples institutions, dont l'Institution océanographique de Woods Hole.

Prochlorococcus est l'un des deux groupes principaux appartenant à une classe connue sous le nom de picocyanobactéries, qui sont les plus petits organismes photosynthétiques de la planète. L'autre groupe est Synechococcus, un microbe étroitement lié que l'on trouve abondamment dans les systèmes océaniques et d'eau douce. Les deux organismes vivent grâce à la photosynthèse.

Il s'avère cependant que certaines souches de Prochlorococcus peuvent adopter des modes de vie alternatifs, notamment dans les régions peu éclairées où la photosynthèse est difficile à maintenir. Ces microbes sont des "mixotrophes" qui utilisent un mélange d'autres stratégies de capture de carbone pour se développer.

Les chercheurs du laboratoire de Chisholm cherchaient des signes de mixotrophie lorsqu'ils sont tombés sur un gène commun à plusieurs souches modernes de Prochlorococcus. Le gène codait la capacité de décomposer la chitine, un matériau riche en carbone provenant des coquilles déchues d'arthropodes, tels que les insectes et les crustacés.

« C'était très étrange », dit Capovilla, qui a décidé de creuser davantage dans la découverte lorsqu'elle a rejoint le laboratoire en tant que chercheuse postdoctorale.

Pour la nouvelle étude, Capovilla a effectué des expériences pour voir si Prochlorococcus peut en fait décomposer la chitine de manière utile. Les travaux précédents du laboratoire ont montré que le gène de dégradation de la chitine apparaissait dans des souches de Prochlorococcus vivant dans des conditions de faible luminosité, ainsi que dans Synechococcus. Le gène était absent de Prochlorococcus habitant des régions plus ensoleillées.

\n

In the lab, Capovilla introduced chitin particles into samples of low-light and high-light strains. She found that microbes containing the gene could degrade chitin, and of these, only low-light-adapted Prochlorococcus seemed to benefit from this breakdown, as they appeared to also grow faster as a result. The microbes could also stick to chitin flakes — a result that particularly interested Braakman, who studies the evolution of metabolic processes and the ways they have shaped the Earth’s ecology.

“People always ask me: How did these microbes colonize the early ocean?” he says. “And as Gio was doing these experiments, there was this ‘aha’ moment.”

Braakman wondered: Could this gene have been present in the ancestors of Prochlorococcus, in a way that allowed coastal microbes to attach to and feed on chitin, and ride the flakes out to sea?

To test this new “chitin raft” hypothesis, the team looked to Fournier, who specializes in tracing genes across species of microbes through history. In 2019, Fournier’s lab established an evolutionary tree for those microbes that exhibit the chitin-degrading gene. From this tree, they noticed a trend: Microbes start using chitin only after arthropods become abundant in a particular ecosystem.

For the chitin raft hypothesis to hold, the gene would have to be present in ancestors of Prochlorococcus soon after arthropods began to colonize marine environments.

The team looked to the fossil record and found that aquatic species of arthropods became abundant in the early Paleozoic, about half a billion years ago. According to Fournier’s evolutionary tree, that also happens to be around the time that the chitin-degrading gene appears in common ancestors of Prochlorococcus and Synecococchus.

“The timing is quite solid,” Fournier says. “Marine systems were becoming flooded with this new type of organic carbon in the form of chitin, just as genes for using this carbon spread across all different types of microbes. And the movement of these chitin particles suddenly opened up the opportunity for microbes to really make it out to the open ocean.”

The appearance of chitin may have been especially beneficial for microbes living in low-light conditions, such as along the coastal seafloor, where ancient picocyanobacteria are thought to have lived. To these microbes, chitin would have been a much-needed source of energy, as well as a way out of their communal, coastal niche.

Braakman says that once out at sea, the rafting microbes were sturdy enough to develop other ocean-dwelling adaptations. Millions of years later, the organisms were then ready to “take the plunge” and evolve into the free-floating, photosynthesizing Prochlorococcus that exist today.

“In the end, this is about ecosystems evolving together,” Braakman says. “With these chitin rafts, both arthropods and cyanobacteria were able to expand into the open ocean. Ultimately, this helped to seed the rise of modern marine ecosystems.”