Lors d’une expédition monumentale sur le terrain, une équipe de chercheurs de l’Université d’Hawai’i (UH) de la Mānoa School of Ocean and Earth Science and Technology (SOEST) a collecté plus de 3 000 échantillons de microbes et de microbiomes présents dans l’ensemble du bassin versant de la vallée de Waimea. sur O’ahu, Hawaii. Leur enquête a révélé trois découvertes clés : les microbes suivent le réseau trophique, la majeure partie de la diversité microbienne dans un bassin versant est maintenue dans le sol et l’eau des cours d’eau, et la distribution locale d’un microbe prédit sa distribution mondiale. Leurs conclusions ont été publiées récemment dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Les plantes et les animaux sont chacun l’hôte de dizaines à des milliers de microbes différents, collectivement appelés microbiomes. Ils métabolisent nos aliments, détoxifient les contaminants et aident à combattre les maladies. Les microbes occupent également tous les habitats qui nous entourent et font fonctionner les machines qui maintiennent l’air que nous respirons, l’eau que nous buvons et construisent le sol sous nos pieds. Malgré leur importance, la plupart des microbiomes des plantes et des animaux ne sont généralement pas présents à la naissance et sont plutôt acquis. Mais d’où ? Et où vivent les microbes lorsqu’ils ne sont pas chez leurs hôtes ?
L’équipe de recherche a mené un « bioblitz » sur le microbiome – un recensement presque complet de tous les substrats environnementaux et des hôtes possibles des microbes dans le bassin versant. Ils ont prélevé des échantillons du sommet humide de Puʻu Kainapuʻa, de la plaine inondable basse de la vallée de Waimea et même des eaux claires de la baie de Waimea. Les chercheurs ont recueilli des échantillons de sol; ruisseau et eau de mer; les animaux, y compris les rats, les écrevisses, les moustiques et les oursins ; et des plantes, y compris des arbres, des fougères et des algues ; et beaucoup plus. Ils ont extrait et séquencé plus de 800 millions de « codes-barres » d’ADN microbien pour déterminer quels microbes étaient présents et où.
Lorsque l’équipe a évalué où se trouvait la plus grande diversité de microbes et où il y avait moins d’espèces, la structure a suivi le réseau trophique – de nombreux types dans le sol et l’eau, moins chez les plantes et encore moins chez les animaux.
« De plus, les microbes trouvés chez les animaux avaient tendance à être un sous-ensemble des microbes associés aux plantes et les microbes sur les plantes avaient tendance à être un sous-ensemble des microbes dans le sol, l’eau et les sédiments », a déclaré Sean Swift, co-auteur de l’étude. et doctorant dans le programme d’études supérieures en biologie marine de l’UH Mānoa. « C’est comme si les plantes assemblaient leur microbiome à partir de l’environnement, puis que les animaux sélectionnaient leur microbiome à partir de celui des plantes. Les microbiomes des organismes sont généralement des sous-ensembles de ceux qui se trouvent plus bas dans la chaîne alimentaire. »
Un moyen évident d’assembler un microbiome est d’acquérir des microbes d’un hôte apparenté, comme une mère humaine partage son microbiome avec un nourrisson, par exemple.
« Cependant, ce modèle est insuffisant pour maintenir les microbiomes dans un paysage dynamique », a déclaré Nicole Hynson, professeure agrégée au Pacific Biosciences Research Center (PBRC) au SOEST. « De nombreuses plantes et animaux sont clairsemés, saisonniers ou éphémères, ce qui nécessite que leurs microbes symbiotiques soient capables de résider parfois dans des hôtes ou des environnements alternatifs à proximité. Nous avons constaté que le sol, les sédiments et l’eau servent de réservoirs pour la diversité microbienne – fournissant des salles d’attente environnementales pour microbes pour coloniser les hôtes lorsqu’ils sont disponibles. »
Une autre découverte clé est que la distribution locale d’une espèce microbienne prédit sa distribution mondiale.
« Il est peu probable que les microbes présents dans un ou deux organismes ou environnements de la vallée de Waimea soient répandus dans le monde », a déclaré Craig Nelson, co-auteur et professeur de recherche associé au Daniel K. Inouye Center for Microbial Oceanography: Research and Education and Hawai. ‘Je Sea Grant. « Certains microbes étaient répandus à Waimea et sont vraisemblablement adaptables à toutes sortes d’hôtes et d’habitats. Nos analyses ont démontré que ces microbes généralistes étaient également les plus largement récupérés dans divers habitats à travers le monde. »
Les plantes et les animaux ont besoin de microbes pour rester en bonne santé. Les travaux récents mettent en lumière la diversité et la distribution des microbiomes à l’échelle du paysage, une approche rendue possible par la structure unique et la diversité des habitats des bassins versants hawaïens.
« Comprendre les sources de diversité microbienne partagée dans les écosystèmes nous permet de mieux comprendre les origines et les processus d’assemblage des microbes symbiotiques et leur rôle dans la préservation de la biodiversité et des services écosystémiques », a déclaré Anthony Amend, auteur principal de l’étude et professeur associé au PBRC. « Si nous voulons restaurer des plantes et des animaux indigènes dans une région, nous devrons peut-être également penser à restaurer les environnements sources de leurs microbiomes. Les microbes sont un autre moyen par lequel les organismes sont connectés à l’environnement. »
L’équipe de recherche de l’UH Mānoa comprenait des experts du SOEST, du Collège des sciences sociales, du Collège d’agriculture tropicale et des ressources humaines et du Collège des sciences naturelles.
Un recensement microbien de l’écosystème de la crête au récif démontre des réservoirs environnementaux pour les microbiomes animaux et végétaux, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2204146119.