Les bactéries des lacs évoluent comme sur des roulettes avec les saisons, révèle une étude

Comme Bill Murray dans le film « Groundhog Day », les espèces de bactéries présentes dans un lac du Wisconsin sont dans une sorte de boucle sans fin dont elles ne semblent pas pouvoir se débarrasser. Sauf que dans ce cas, c’est plutôt l’année de la marmotte.

Selon une étude dans Microbiologie naturelleles chercheurs ont découvert qu’au cours d’une année, la plupart des espèces de bactéries du lac Mendota évoluent rapidement, apparemment en réponse à des saisons qui changent radicalement.

Les variantes génétiques augmenteraient et diminueraient au fil des générations, mais des centaines d’espèces distinctes reviendraient, presque entièrement, à des copies proches de ce qu’elles avaient été génétiquement avant un millier de générations de pressions évolutives. (Les microbes individuels ont une durée de vie de quelques jours seulement, et non de saisons entières. Le travail des scientifiques consistait donc à comparer les génomes bactériens pour examiner les changements dans les espèces au fil du temps.)

Ce même changement saisonnier se répétait année après année, comme si l’évolution était un film qui revenait au début à chaque fois et rejoué à nouveau, apparemment sans aboutir.

« J’ai été surpris qu’une si grande partie de la communauté bactérienne subisse ce type de changement », a déclaré Robin Rohwer, chercheur postdoctoral à l’Université du Texas à Austin dans le laboratoire du co-auteur Brett Baker. « J’espérais observer seulement quelques exemples sympas, mais il y en avait littéralement des centaines. »

Rohwer a dirigé la recherche, d’abord en tant que doctorant travaillant avec Trina McMahon à l’Université du Wisconsin-Madison, puis à l’UT.

Le lac Mendota change considérablement d’une saison à l’autre : pendant l’hiver, il est recouvert de glace et pendant l’été, il est couvert d’algues. Au sein d’une même espèce bactérienne, les souches mieux adaptées à un ensemble de conditions environnementales surpasseront les autres souches pendant une saison, tandis que d’autres souches auront la chance de briller au cours de différentes saisons.

L’équipe a utilisé des archives uniques de 471 échantillons d’eau collectés sur 20 ans dans le lac Mendota par McMahon, Rohwer et d’autres chercheurs de l’UW-Madison dans le cadre de projets de surveillance à long terme.

Pour chaque échantillon d’eau, ils ont assemblé un métagénome, toutes les séquences génétiques provenant de fragments d’ADN laissés par des bactéries et d’autres organismes. Cela a abouti à la plus longue série chronologique de métagénome jamais collectée dans un système naturel.

« Cette étude change totalement la donne dans notre compréhension de la façon dont les communautés microbiennes évoluent au fil du temps », a déclaré Baker. « Ce n’est que le début de ce que ces données nous diront sur l’écologie microbienne et l’évolution de la nature. »

Ces archives ont également révélé des changements génétiques plus durables.

En 2012, le lac a connu des conditions inhabituelles : la couverture de glace a fondu tôt, l’été a été plus chaud et plus sec que d’habitude, le débit d’eau d’une rivière qui alimente le lac a diminué et les algues, qui sont une source importante d’azote organique pour les bactéries, étaient plus rares que d’habitude.

Comme Rohwer et son équipe l’ont découvert, de nombreuses bactéries présentes dans le lac cette année-là ont connu un changement majeur dans les gènes liés au métabolisme de l’azote, probablement en raison de la rareté des algues.

« Je pensais que parmi des centaines de bactéries, je pourrais en trouver une ou deux avec un changement à long terme », a déclaré Rohwer. « Mais au lieu de cela, une personne sur cinq a présenté d’importants changements de séquence qui se sont produits au fil des années. Nous n’avons pu approfondir qu’une seule espèce, mais certaines de ces autres espèces ont probablement également présenté des changements génétiques majeurs. »

Les climatologues prédisent davantage d’événements météorologiques extrêmes – comme l’été chaud et sec qu’a connu le lac Mendota en 2012 – dans le Midwest des États-Unis au cours des années à venir.

« Le changement climatique modifie lentement les saisons et les températures moyennes, mais provoque également des phénomènes météorologiques extrêmes plus brusques », a déclaré Rohwer. « Nous ne savons pas exactement comment les microbes réagiront au changement climatique, mais notre étude suggère qu’ils évolueront en réponse à ces changements graduels et brusques. »

Contrairement à une autre célèbre expérience d’évolution bactérienne à l’UT, le Expérience d’évolution à long termel’étude de Rohwer et Baker impliquait l’évolution bactérienne dans des conditions naturelles complexes et en constante évolution. Les chercheurs ont utilisé les ressources de calcul intensif du Texas Advanced Computing Center (TACC) pour reconstruire les génomes bactériens à partir de courtes séquences d’ADN présentes dans les échantillons d’eau.

Le même travail qui a pris quelques mois au TACC aurait pris 34 ans avec un ordinateur portable, a estimé Rohwer, impliquant plus de 30 000 génomes d’environ 2 800 espèces différentes.

« Imaginez que le génome de chaque espèce soit un livre et que chaque petit fragment d’ADN soit une phrase », a déclaré Rohwer. « Chaque échantillon contient des centaines de livres, tous découpés en phrases. Pour réassembler chaque livre, vous devez déterminer de quel livre provient chaque phrase et les reconstituer dans l’ordre. »

Les autres co-auteurs de la nouvelle étude sont Mark Kirkpatrick de l’UT ; Sarahi Garcia de l’Université Carl von Ossietzky d’Oldenburg (Allemagne) et de l’Université de Stockholm ; et Matthew Kellom du Joint Genome Institute du Département américain de l’énergie.

Il s’agit de l’un des deux articles connexes publiés dans la revue ; le papier d’accompagnement se concentre sur l’écologie et l’évolution des virus provenant des mêmes échantillons de lac.