Les marais salants couvrent une grande partie de l’état de la côte géorgienne et fournissent des « services écosystémiques » clés pour les gens. Ils nettoient l’eau, protègent les côtes contre les ondes de tempête et offrent un habitat aux poissons et crustacés. Une nouvelle étude d’une équipe de chercheurs de la Georgia Tech School of Biological Sciences révèle qu’une espèce d’herbe qui domine ces marais a des bactéries dans ses racines et le sol environnant qui affectent la productivité en fournissant des nutriments, soulignant l’importance des micro-organismes du sol dans l’ensemble de l’écosystème.
L’étude, « Le microbiome racinaire central de Spartina alterniflora est prédominé par des bactéries oxydant le soufre et sulfato-réductrices dans les marais salants de Géorgie, aux États-Unis » est publiée dans Microbiome. L’équipe de recherche comprend Georgia Tech Ph.D. les étudiants Jose Rolando (auteur principal de l’étude) et Tianze Song ; Max Kolton, ancien chercheur postdoctoral, maintenant maître de conférences et chercheur principal à l’Université Ben Gourion du Néguev à Beer Sheva, Israël ; et l’auteur correspondant Joel Kostka, professeur et président associé pour la recherche à l’École des sciences biologiques avec une nomination conjointe à l’École des sciences de la Terre et de l’atmosphère, qui est également membre du Center for Microbial Dynamics and Infection de Georgia Tech.
L’étude montre que des microbes divers et abondants associés à la spartine aident à minéraliser la matière organique des sédiments et à libérer des nutriments biodisponibles pour la plante, ce qui suggère que les microbes aident à soutenir la productivité de la plante.
Les travaux pourraient contribuer aux efforts de restauration des marais salants qui contribueront à renforcer le littoral pour qu’il soit plus résistant face à l’élévation du niveau de la mer et au changement climatique.
Kostka dit qu’environ 40% des marais salants ont disparu aux États-Unis au cours des 100 dernières années. « La restauration des écosystèmes côtiers est donc devenue un domaine immense, avec un objectif important de gérer ou de restaurer les marais afin qu’ils continuent à fournir des services écosystémiques essentiels aux populations », explique-t-il.
Kostka ajoute que certaines bactéries profitent aux plantes non seulement en éliminant le sulfure potentiellement toxique de la zone racinaire, mais aussi en donnant aux plantes des nutriments et potentiellement du carbone. « En d’autres termes, c’est un exemple de la façon dont nous pensons que les lignes classiques pourraient être brouillées par ce que nous considérons généralement comme des autotrophes (plantes qui poussent via la photosynthèse) et des hétérotrophes (microbes) dans les écosystèmes. »
Soufre dans les racines
L’étude a été menée dans des marais salés près des îles Sapelo et Skidaway sur la côte de la Géorgie en 2018 et 2019. Là, l’eau de l’océan lave les herbes des marais salés et cette eau est riche en sulfate. « Le sulfure est une phytotoxine ou une toxine végétale », explique Kostka. « Beaucoup de sulfure va tuer les plantes ou du moins les stresser, mais quand vous en ajoutez juste un peu (à Spartina alterniflora), cela alimente les usines microbiennes dans les racines des plantes. »
L’équipe de Kostka a découvert que Spartina alterniflora a concentré des bactéries soufrées dans ses racines, et ces bactéries se répartissent en deux catégories : les oxydants soufrés, qui utilisent le sulfure comme source d’énergie – « alors vous avez des réducteurs de sulfate qui respirent ou respirent le sulfate de l’eau de mer, produisant du sulfure. «
Dans cette usine de cellules microbiennes, les bactéries utilisent le sulfure comme source d’énergie pour fixer l’azote – et éventuellement le carbone – qui est ensuite transmis aux herbes. La fixation de l’azote se produit lorsqu’un microbe prélève de l’azote gazeux de l’air ou de l’eau et en fait de l’ammonium utilisable. Dans la nature, les microbes du sol effectuent principalement ce processus – parfois, la foudre dans l’atmosphère peut également le déclencher.
Les résultats de l’étude suggèrent que la fixation se produit via la chimioautotrophie (utilisant des réactions chimiques pour l’énergie) par des bactéries vivant à l’intérieur des racines des plantes.
« Le prochain chapitre de cette histoire consiste à apprendre comment la plante et les bactéries échangent de l’azote et les contrôles environnementaux de cet échange », explique Kostka. « Nous savons également que ces bactéries peuvent fixer le carbone et pourraient potentiellement transmettre du carbone à la plante. La plante peut avoir une usine de cellules qui fabrique de la biomasse à partir d’énergie chimique plutôt que de photosynthèse. »
Trouver des indices climatiques dans les plantes
Les recherches de la nouvelle étude sur les zones humides salées sont similaires aux travaux liés au climat que Kostka mène sur les mousses de tourbe dans les tourbières d’eau douce au centre de recherche Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) dans le nord du Minnesota. L’installation est gérée par le service forestier du département américain de l’agriculture et le laboratoire national d’Oak Ridge.
Une étude publiée par Kostka et son équipe en 2021 a montré que le réchauffement des tourbières libère de plus grandes quantités de méthane, un gaz à effet de serre, qui y est piégé. Les tourbières représentent environ 3 % de la masse continentale de la Terre, mais elles stockent environ un tiers du carbone du sol de la planète. Au fur et à mesure qu’ils se réchauffent, les tourbières peuvent également commencer à libérer plus de carbone avec leur méthane dans les écosystèmes, un coup nocif pour l’environnement.
Les marais d’eau salée étudiés par l’équipe de Kostka ont également été qualifiés de puits de « carbone bleu » car ils agissent pour atténuer le changement climatique en séquestrant de grandes quantités de carbone de l’atmosphère à l’échelle mondiale. « Les marais salants ou les marais côtiers ne sont pas seulement essentiels en tant qu’habitat pour les poissons et les crustacés que nous aimons manger – ainsi que d’autres écosystèmes côtiers végétalisés – ils stockent autant ou plus de carbone que le reste du fond marin », explique Kostka.
Un triomphe pour les omiques, et la suite
Kostka attribue aux «omiques», des technologies qui permettent l’étude des microbes dans l’environnement sans culture, des avancées dans la découverte des microbiomes – tous les micro-organismes dans un environnement spécifique. La métagénomique et la métatranscriptomique, le séquençage de tous les gènes ou gènes exprimés dans l’environnement, permettent aux scientifiques de cartographier le potentiel des microbes à remplir des fonctions écosystémiques importantes telles que la fixation de l’azote. Ceci est essentiel car très peu de microbes sur la grande diversité qui existe peuvent être cultivés en laboratoire, explique Kostka.
« Ce travail est un autre exemple de la façon dont nous découvrons les microbiomes végétaux – les microbes qui vivent à l’intérieur ou sur les tissus de plantes pertinentes pour l’environnement qui aident les plantes à mieux pousser », ajoute Kostka. « Si nous pouvons ajouter des microbes aux racines lorsque nous les plantons, et donc augmenter la survie de ces plantes, nous pouvons améliorer les efforts de restauration. »
Jose L. Rolando et al, Le microbiome racinaire central de Spartina alterniflora est prédominé par des bactéries oxydant le soufre et sulfato-réductrices dans les marais salants de Géorgie, États-Unis, Microbiome (2022). DOI : 10.1186/s40168-021-01187-7