Sécheresses prolongées suivies de pluies soudaines : comment les bactéries des sols du désert parviennent-elles à survivre dans des conditions aussi difficiles ? Un projet ERC dirigé par la microbiologiste Dagmar Woebken du Centre de microbiologie et de science des systèmes environnementaux (CeMESS) de l’Université de Vienne a répondu à cette question longtemps débattue.
L’étude révèle que les bactéries des sols du désert sont hautement adaptées pour survivre aux changements environnementaux rapides rencontrés à chaque épisode de pluie. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Communications naturelles.
Les zones arides couvrent plus de 46 % de la superficie mondiale et sont en expansion, non seulement en raison du changement climatique mais aussi de pratiques de gestion des terres non durables. Alors que les plantes sont rarement rencontrées dans les déserts, la vie invisible prospère sous terre. Les micro-organismes situés dans ce qu’on appelle la biocroûte (les premiers millimètres à centimètres du sol du désert) enrichissent le sol en carbone et en azote, et aident également à prévenir l’érosion du sol et à retenir l’eau. Mais ces microbes vivent dans un environnement difficile, confrontés à de longues périodes de sécheresse et à des pluies peu fréquentes.
Jusqu’à présent, on ne savait pas vraiment comment ils pourraient maintenir des fonctions écosystémiques importantes dans de telles conditions. Grâce à des méthodes de pointe en écologie microbienne, l’équipe de Dagmar Woebken a acquis des connaissances sur la vie microbienne dans ces sols.
Les bactéries des sols désertiques supportent de longues périodes de sécheresse en état de dormance, mais sont réactivées en réponse aux épisodes pluvieux, qui sont courts et très rares. Les chercheurs ont découvert une sorte de stratégie de réactivation « tout-en-un » dans les biocroûtes du désert du Néguev, en Israël. Les bactéries profitent au maximum des précipitations : au cours de cette étroite fenêtre d’activité, presque toute la diversité microbienne du sol (ainsi que les cellules individuelles) devient active.
« Lorsque nous simulons un événement pluvieux en laboratoire, nous observons qu’au cours des 15 à 30 premières minutes, presque tous les groupes taxonomiques sont passés d’un mode repos à un mode actif », explique Dimitri Meier, co-premier auteur de l’étude. « Il s’agit d’une caractéristique remarquable des bactéries des sols désertiques, car dans d’autres types de sols, de nombreux groupes de bactéries mettent beaucoup plus de temps à se réactiver. » Une fois réactivées, les bactéries commenceraient rapidement à générer de l’énergie et à réparer leur génome.
Dans l’étude, les chercheurs ont simulé des événements pluvieux avec de l’eau marquée par un isotope stable, de l’eau contenant de l’hydrogène lourd. À l’aide de NanoSIMS, ils ont examiné des cellules individuelles pour voir lesquelles d’entre elles avaient incorporé des atomes d’hydrogène lourds.
« Avec cette approche, nous pouvons révéler la fraction de cellules de la biocroûte qui se réactivent lors d’un épisode de pluie. Nous pouvons également en déduire si elles peuvent se développer lors de courts épisodes de pluie qui, dans les déserts arides, ne durent souvent que 1 à 2 jours », explique Stefanie Imminger, Ph. .D. candidat et co-premier auteur de l’étude.
« Nous avons constaté que presque toutes les cellules de la biocroûte se réactivent, mais que lors de ces courtes pluies, seule une petite proportion des cellules serait capable de doubler. » Une grande partie des cellules de la biocroûte peuvent donc profiter des événements pluvieux pour se régénérer et se préparer à la prochaine sécheresse, mais la division cellulaire ne se produit pas.
« Ces données nous aident à comprendre comment les bactéries de la biocroûte utilisent de manière optimale les courtes fenêtres d’activité qu’elles connaissent dans les déserts. Elles sont idéalement adaptées pour résister aux changements à court terme de la teneur en eau du sol, une situation très stressante pour les cellules. Cela leur permet de survivre. l’augmentation soudaine de la teneur en eau en cas de pluie, ainsi que le dessèchement qui s’ensuit.
« De plus, la communauté microbienne diversifiée est capable d’une réactivation immédiate, ce qui est très bénéfique lorsqu’elle doit revenir à un état dormant en quelques heures ou quelques jours », explique Dagmar Woebken, chercheur principal de l’étude.
Les résultats de cette étude s’appliquent non seulement aux zones désertiques mais également à d’autres régions. La capacité de survivre au manque d’eau deviendra de plus en plus importante pour les micro-organismes du sol dans les régions tempérées, à mesure que la fréquence et l’intensité des sécheresses augmentent en raison du changement climatique. Les connaissances acquises grâce à la recherche sur les sols désertiques peuvent aider à comprendre quelles caractéristiques permettent aux micro-organismes du sol de survivre à ces défis.
Plus d’information:
La survie et la réanimation rapide permettent une productivité limitée dans les communautés microbiennes du désert, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-46920-6