Une étude rapide de la vie sur Terre donnera généralement deux groupes : ceux qui produisent leurs propres nutriments et ceux qui doivent les obtenir d’autres formes de vie. Les plantes appartiennent généralement à la première catégorie, appelée autotrophes, tandis que les animaux et les champignons appartiennent presque exclusivement à la seconde, les hétérotrophes. Mais en creusant plus profondément, on découvre une foule d’organismes qui peuvent faire les deux : les mixotrophes.
« On pourrait penser qu’un organisme qui peut faire à la fois la photosynthèse et l’hétérotrophie a touché le jackpot métabolique », a fait remarquer Holly Moeller, professeur adjoint à l’UC Santa Barbara. « Il est donc fascinant de réfléchir aux limites à cela. »
Des membres du laboratoire Moeller ont mené une expérience de trois ans pour voir comment deux souches de mixotrophes s’adapteraient aux changements de température et de luminosité. L’équipe a découvert qu’une souche a évolué pour être moins photosynthétique à des températures plus élevées, ce qui peut avoir des implications sur le climat. Les résultats soutiennent également l’idée que la sélection naturelle peut avoir un effet plus fort sur les organismes ayant des caractéristiques moins flexibles. Les résultats paraissent dans la revue Biologie du changement global.
Les auteurs étaient curieux de savoir si les mixotrophes évolueraient pour devenir plus photosynthétiques à des températures plus élevées sur plusieurs générations, une enquête importante pour le changement climatique. « Ces organismes peuvent être soit des sources de carbone, soit des puits de carbone, selon le processus sur lequel ils s’appuient », a expliqué la première auteure Michelle Lepori-Bui, ancienne boursière diplômée de la National Science Foundation au Département d’écologie, d’évolution et de biologie marine. un spécialiste de la qualité de l’eau de mer à Washington Sea Grant.
Lepori-Bui voulait savoir si les microbes s’adapteraient à de nouvelles conditions en modifiant simplement l’expression de leurs gènes, ou s’ils évolueraient sur plusieurs générations, accumulant des modifications génétiques permanentes. Les études précédentes sur les mixotrophes n’ont duré que quelques semaines, pas assez de temps pour identifier les tendances évolutives réelles. Moeller et Lepori-Bui prévoyaient une expérience à une échelle beaucoup plus grande.
Les auteurs sont partis de deux populations de mixotrophes, une qui doit toujours photosynthétiser et une qui ne le fait que dans certaines circonstances. Ils ont réparti chaque souche entre deux niveaux de luminosité et trois régimes de température : 18° Celsius, 24° C et 30° C. Les chercheurs ont comparé la population témoin (évoluée à 24° C) aux différents groupes expérimentaux à des points réguliers tout au long de l’expérience. En plaçant brièvement le groupe témoin dans les conditions expérimentales, ils ont noté comment il s’en sortait par rapport au groupe expérimental qui avait été continuellement exposé à ces conditions. Armés de ces données, les chercheurs ont pu déterminer comment les différentes populations évoluaient au cours de l’expérience.
Toute l’étude, qui a commencé en avril 2018, a failli dérailler en mars 2020 en réponse à la pandémie. « Michelle [Lepori-Bui] l’a maintenu pendant la pandémie avec beaucoup de consternation, de force et de courage », a fait remarquer Moeller.
Trois ans plus tard, ils disposaient de données sur 400 à 700 générations de microbes. Pourtant, déchiffrer les tendances à partir des données était un défi. « Ces mixotrophes sont des petites bêtes super compliquées, et ils ne veulent pas toujours nous livrer leurs secrets facilement », a déclaré Moeller. Les chercheurs ont remarqué une augmentation générale de l’hétérotrophie à des températures plus élevées, en particulier de la souche qui effectuait toujours la photosynthèse.
Cela suggère que la crise climatique pourrait modifier le rôle que jouent les mixotrophes dans le cycle mondial du carbone. La mixotrophie est plus courante que les scientifiques ne l’avaient imaginé auparavant, en particulier parmi le plancton de l’océan ouvert pauvre en nutriments. Si les mixotrophes deviennent plus hétérotrophes, ils produiront plus de CO2, ce qui contribuera au changement climatique. Cela pourrait encore augmenter les températures et étendre les régions pauvres en nutriments de l’océan, créant une boucle de rétroaction. « Les mixotrophes ont donc le potentiel d’être des acteurs majeurs du cycle du carbone », a noté Moeller.
Cela dit, chacune des populations expérimentales était mieux adaptée à ses conditions par rapport au groupe témoin. Par exemple, les groupes chauds ont grandi plus rapidement et ont mieux utilisé le carbone à haute température que le groupe témoin dans les mêmes conditions.
« Cela peut signifier qu’ils font passer plus de carbone dans la chaîne alimentaire, ce qui donne à ce carbone la possibilité d’être aspiré dans les profondeurs de l’océan et retiré de l’atmosphère », a déclaré Moeller. Mais la complexité même des systèmes climatiques mondiaux rend difficile de prédire si les mixotrophes agiront en tant que producteurs ou consommateurs de carbone à l’avenir.
Les résultats soutiennent également l’idée que la sélection naturelle a un effet plus fort sur les organismes aux caractéristiques ou phénotypes plus rigides. « S’ils ont moins de flexibilité, ils doivent changer sur plusieurs générations pour survivre », a déclaré Lepori-Bui.
Cependant, la plasticité phénotypique peut couper dans les deux sens. D’une part, la capacité de modifier des caractéristiques au cours d’une seule vie peut réduire la pression pour effectuer des changements génétiques permanents. D’un autre côté, cela donne du matériel de sélection naturelle avec lequel travailler et empêche une lignée de mourir avant qu’elle ne puisse s’adapter à de nouvelles conditions.
Moeller prévoit de continuer à étudier le rôle que joue la plasticité phénotypique dans l’adaptation évolutive avec des études plus importantes impliquant une plus grande variété de mixotrophes. Plus tôt cette année, l’équipe a publié un article examinant comment devenir mixotrophe peut affecter l’avantage concurrentiel d’une espèce dans le jeu de la vie. « Nous construisons cette théorie plus large au coup par coup, une expérience fastidieuse à la fois », a-t-elle déclaré.
Avec ses expériences, le laboratoire Moeller se lance dans de nouvelles recherches passionnantes pour étudier ce qui compte vraiment pour prédire comment les organismes s’adapteront à l’avenir. En raison de leur complexité, les mixotrophes sont difficiles à inclure dans les grands modèles environnementaux, ils sont donc souvent laissés de côté. Plus d’informations et de données sur les mixotrophes, et sur la façon dont ils pourraient changer, faciliteront leur inclusion dans les modèles prédictifs.
« Nous savons à peine comment ils font ce qu’ils font dans les conditions actuelles, et encore moins ce qu’ils vont faire à l’avenir », a déclaré Moeller. « Et pourtant, il est également très clair que cela a des implications sur la façon dont ils se rapportent aux autres espèces et au cycle du carbone. »
Plus d’information:
Michelle Lepori‐Bui et al, Preuve de l’adaptation évolutive des nanoflagellés mixotrophes à des températures plus chaudes, Biologie du changement global (2022). DOI : 10.1111/gcb.16431