L’air que vous respirez ? Une diatomée a fait ça

Voix d’experts : éditoriaux et perspectives.

Vous consommerez environ 2 litres (un peu plus d’un demi-gallon) d’oxygène pendant le temps qu’il vous faudra pour lire cet article. Environ 20% de cet oxygène provient de la photosynthèse par les diatomées marines – les petits organismes les plus importants dont la plupart des gens n’ont jamais entendu parler.

Les diatomées sont minuscules – cinq à 10 d’entre elles pourraient tenir sur la tête d’une épingle – mais ces algues unicellulaires jouent un rôle immense dans le maintien du fonctionnement de l’écosystème de la planète. Ce sont d’importants médiateurs des cycles du carbone et de l’oxygène, une partie intégrante des réseaux trophiques marins et les principaux cycleurs de la silice, qui constitue environ un quart de la croûte terrestre. [In Photos: The Diversity of Diatoms]

Les diatomées incorporent cette silice dans leurs parois cellulaires en verre magnifiquement ornées, dont les motifs complexes ont captivé les chercheurs pendant des siècles. Les espèces de diatomées se distinguent en grande partie sur la base de leurs caractéristiques de paroi cellulaire et, de plus en plus, des différences dans leurs séquences d’ADN. Personne ne sait vraiment combien de diatomées différentes existent, mais des estimations prudentes suggèrent environ 100 000 à 200 000 espèces, ce qui en fait l’une des lignées d’eucaryotes les plus riches en espèces. Les eucaryotes comprennent les plantes, les animaux et tout ce dont les cellules sont organisées en compartiments liés à la membrane, y compris un noyau cellulaire.

Présentes dans des environnements allant des récifs tropicaux à la banquise, des eaux douces aux eaux très salées – et à peu près partout entre les deux – les diatomées sont également diversifiées sur le plan écologique et physiologique. Tout cela a motivé de nombreuses recherches pour identifier les facteurs qui ont conduit à leur extraordinaire diversité morphologique, écologique et au niveau des espèces.

Les progrès des technologies de séquençage de l’ADN ont rendu possible et pratique de répondre à ces types de questions avec le séquençage du génome entier. Seuls quelques génomes de diatomées ont été séquencés jusqu’à présent, mais les résultats suggèrent que leurs génomes contiennent probablement de nombreux indices sur leur origine et leur diversification – leur « succès » évolutif.

Les diatomées semblent avoir un génome hautement mosaïque, avec des gènes provenant de nombreuses sources différentes. Plus particulièrement, une grande partie des gènes peut avoir été acquise par transfert horizontal de gènes (HGT) à partir de bactéries. Bien que les données génomiques aient montré que le HGT – l’échange de gènes entre des espèces qui ne se reproduisent pas – est beaucoup plus courant chez les eucaryotes qu’on ne le pensait autrefois, le transfert de gènes entre des parents aussi éloignés (les diatomées et les bactéries ont partagé un ancêtre commun il y a quelques milliards d’années) est rare.

Déterminer qu’un gène de diatomée a été acquis à partir d’une bactérie n’est pas aussi simple qu’il y paraît, et la détermination est susceptible de varier – subtilement ou considérablement – en fonction du nombre de génomes séquencés disponibles pour comparaison. De la même manière que la police ne peut pas trouver un agresseur si ses empreintes digitales ne figurent pas dans sa base de données, il serait difficile, voire impossible, de comprendre qu’un gène ressemblant à celui d’une bactérie est un ancien gène eucaryote établi si il n’y a pas de génomes eucaryotes à comparer et à analyser.

Étant donné que des centaines de génomes eucaryotes ont été séquencés depuis la découverte du HGT diatomo-bactérien en 2008, une histoire beaucoup plus raffinée est susceptible d’émerger dans les années à venir. En particulier, les projets financés par le Fondation Gordon et Betty Moore et les États-Unis Fondation nationale de la science produira des génomes complets pour plusieurs autres diatomées et transcriptomes (la plupart des gènes de l’organisme) pour des centaines d’espèces de diatomées supplémentaires. Ces données apporteront un nouvel éclairage précieux sur la mesure dans laquelle les diatomées ont bénéficié du matériel génétique d’origine extrinsèque.

Il reste à voir si certains des mêmes processus, pour la plupart intrinsèques, impliqués dans la diversification d’autres eucaryotes « hyperdivers » ont également été en jeu au cours de l’évolution des diatomées. Les plantes à fleurs et les vertébrés, par exemple, ont connu des séries de duplications du génome entier. Bien que la plupart des gènes dupliqués aient été presque immédiatement perdus dans la poubelle de l’histoire de l’évolution, certains des doublons sont restés, évoluant librement indépendamment de leurs progéniteurs pour acquérir des fonctions nouvelles ou modifiées. Les génomes de diatomées contiennent de nombreux gènes dupliqués, mais la question de savoir si ceux-ci sont apparus au coup par coup ou en grandes rafales ponctuées est une question ouverte.

Alors, qu’est-ce qui fait qu’une diatomée est une diatomée ? Quels facteurs ont contribué à ouvrir la voie à leur place actuelle de proéminence dans les océans du monde ? Qu’est-ce qui fait que certaines lignées, comme les diatomées, se diversifient alors que d’autres languissent ? Les gènes et les génomes peuvent-ils nous aider à répondre à ces questions ?

Comme les plantes terrestres et autres algues eucaryotes, les plastides de diatomées – les moteurs de la photosynthèse – remontent à des bactéries autrefois libres. Mais les diatomées ont-elles une dette particulière envers les bactéries ? Dans quelle mesure les gènes bactériens adoptés ont-ils été une source de nouveaux traits importants chez les diatomées ? Dans quelle mesure la diversification des diatomées a-t-elle suivi les mêmes voies que d’autres eucaryotes divers, mais plus étudiés ? Grâce à une récente subvention de la National Science Foundation, un collègue – Norm Wickett du Chicago Botanic Garden – et moi-même utiliserons et contribuerons à la prochaine vague de données génomiques pour aider à répondre à certaines de ces questions.

Cependant, les génomes ne combleront pas toutes les lacunes. Selon la plupart des estimations, environ 90% des espèces de diatomées n’ont pas encore été découvertes et nommées, alors même que nous commençons à démêler l’histoire de la diversification des diatomées, la grande majorité des joueurs resteront anonymes.