Les marais d’eau salée de Géorgie, vivant là où la terre rencontre l’océan, s’étendent le long de la totalité du littoral de l’État, sur 100 milles. Ces riches écosystèmes sont largement dominés par une seule plante : l’herbe.
Connue sous le nom de spartine, cette plante est un ingénieur de l’écosystème, fournissant des habitats à la faune, nettoyant naturellement l’eau lorsqu’elle se déplace de l’intérieur des terres vers la mer et maintenant le rivage ensemble afin qu’il ne s’effondre pas. La spartine protège même les communautés humaines des raz-de-marée.
Comprendre comment ces plantes restent en bonne santé est d’une importance écologique cruciale. Par exemple, un agent de stress végétal connu et répandu dans les sols des marais est le composé soufré dissous, le sulfure, qui est produit et consommé par les bactéries. Mais même si le littoral géorgien possède une riche tradition de recherche écologique, il reste difficile de comprendre les manières nuancées dont les bactéries interagissent avec les plantes de ces écosystèmes. Grâce aux récents progrès de la technologie génomique, les biologistes de Georgia Tech ont commencé à révéler des processus écologiques jamais vus auparavant.
Le travail de l’équipe a été publié dans Communications naturelles.
Joel Kostka, professeur émérite Tom et Marie Patton et président associé de recherche à l’École des sciences biologiques, et Jose Luis Rolando, boursier postdoctoral, ont entrepris d’étudier la relation entre la spartine alterniflora et les communautés microbiennes qui habitent leurs racines. , identifiant les bactéries et leurs rôles.
« Tout comme les humains ont des microbes intestinaux qui nous maintiennent en bonne santé, les plantes dépendent des microbes présents dans leurs tissus pour leur santé, leur immunité, leur métabolisme et leur absorption des nutriments », a déclaré Kostka. « Bien que nous connaissions depuis longtemps les réactions qui déterminent le cycle des nutriments et du carbone dans les marais, il n’y a pas autant de données sur le rôle des microbes dans le fonctionnement de l’écosystème. »
Dans le marais
L’un des principaux moyens par lesquels les plantes obtiennent leurs nutriments est la fixation de l’azote, un processus par lequel les bactéries convertissent l’azote en une forme que les plantes peuvent utiliser. Dans les marais, ce rôle a été principalement attribué aux hétérotrophes, ou bactéries qui se développent et tirent leur énergie du carbone organique. Les bactéries qui consomment le sulfure de toxine végétale sont chimioautotrophes, utilisant l’énergie de l’oxydation du sulfure pour alimenter l’absorption de dioxyde de carbone afin de fabriquer leur propre carbone organique nécessaire à leur croissance.
« Grâce à des travaux antérieurs, nous savions que Spartina alterniflora possède des bactéries soufrées dans ses racines et qu’il en existe deux types : les bactéries oxydant le soufre, qui utilisent le sulfure comme source d’énergie, et les réducteurs de sulfate, qui respirent du sulfate et produisent du sulfure, une toxine connue. pour les plantes », a déclaré Rolando. « Nous voulions en savoir plus sur le rôle que jouent ces différentes bactéries soufrées dans le cycle de l’azote. »
Kostka et Rolando se sont rendus sur l’île de Sapelo, en Géorgie, où ils ont régulièrement mené des travaux de terrain dans les marais salants. En pataugeant dans le marais, pelles et seaux à la main, les chercheurs et leurs étudiants ont collecté des spartines ainsi que des échantillons de sédiments boueux accrochés à leurs racines. De retour au laboratoire de terrain, l’équipe s’est rassemblée autour d’un bassin rempli d’eau de ruisseau et a soigneusement lavé l’herbe, en séparant délicatement les racines des plantes.
Ensuite, ils ont utilisé une technique spéciale impliquant des versions plus lourdes d’éléments chimiques présents dans la nature comme traceurs pour suivre les processus microbiens. Ils ont également analysé l’ADN et l’ARN des microbes vivant dans différents compartiments des plantes.
En utilisant une technologie de séquençage connue sous le nom de métagénomique de fusil de chasse, ils ont pu récupérer l’ADN de l’ensemble de la communauté microbienne et reconstruire les génomes des organismes nouvellement découverts. De même, le séquençage non ciblé de l’ARN de la communauté microbienne leur a permis d’évaluer quelles espèces microbiennes et quelles fonctions spécifiques étaient actives en association étroite avec les racines des plantes.
En utilisant cette combinaison de techniques, ils ont découvert que les bactéries chimioautotrophes oxydant le soufre étaient également impliquées dans la fixation de l’azote. Non seulement ces bactéries aident les plantes en détoxifiant la zone racinaire, mais elles jouent également un rôle crucial en fournissant de l’azote aux plantes. Ce double rôle des bactéries dans le cycle du soufre et la fixation de l’azote met en évidence leur importance dans les écosystèmes côtiers et leur contribution à la santé et à la croissance des plantes.
« Les plantes qui poussent dans les zones présentant des niveaux élevés d’accumulation de sulfures ont tendance à être plus petites et en moins bonne santé », a déclaré Rolando. « Cependant, nous avons constaté que les communautés microbiennes présentes dans les racines de Spartina aident à détoxifier le sulfure, améliorant ainsi la santé et la résilience des plantes. »
Importance locale à mondiale
Les cordgrass ne sont pas seulement le principal acteur des marais de Géorgie ; ils dominent également les paysages marécageux de tout le sud-est, y compris les Carolines et la côte du Golfe. De plus, les chercheurs ont découvert que les mêmes bactéries sont associées aux racines de spartine, de mangrove et d’herbiers marins dans les écosystèmes côtiers de la planète.
« Une grande partie du littoral dans les climats tropicaux et tempérés est couverte de zones humides côtières », a déclaré Rolando. « Ces zones abritent probablement des symbioses microbiennes similaires, ce qui signifie que ces interactions ont un impact sur le fonctionnement des écosystèmes à l’échelle mondiale. »
Pour l’avenir, les chercheurs prévoient d’explorer plus en détail la façon dont les plantes des marais et les microbes échangent de l’azote et du carbone, en utilisant des techniques de microscopie de pointe couplées à la spectrométrie de masse à ultra haute résolution pour confirmer leurs découvertes au niveau de la cellule unique. niveau.
« La science suit la technologie et nous étions ravis d’utiliser les dernières méthodes génomiques pour voir quels types de bactéries étaient présentes et actives », a déclaré Kostka. « Il reste encore beaucoup à apprendre sur les relations complexes entre les plantes et les microbes dans les écosystèmes côtiers, et nous commençons à découvrir l’étendue de la complexité microbienne qui maintient les marais en bonne santé. »
Plus d’information:
JL Rolando et al, L’oxydation et la réduction du soufre sont couplées à la fixation de l’azote dans les racines de la plante fondatrice des marais salants Spartina alterniflora, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-47646-1