Machine à voyager dans le temps génomique : du microbiome des éponges, un aperçu du passé évolutif

Les éponges des récifs coralliens, moins flashy que leurs voisins coralliens mais importantes pour la santé globale des récifs, sont parmi les premiers animaux de la planète. Nouvelles recherches menées par des pairs de l’UNH sur les écosystèmes des récifs coralliens avec une nouvelle approche pour comprendre l’évolution complexe des éponges et des microbes qui vivent en symbiose avec elles. Avec cette « machine à remonter le temps génomique », les chercheurs peuvent prédire les aspects des écosystèmes récifaux et océaniques à travers des centaines de millions d’années de changements évolutifs spectaculaires.

« Cette étude montre comment les microbiomes ont évolué dans un groupe d’organismes vieux de plus de 700 millions d’années », explique Sabrina Pankey, chercheuse postdoctorale à l’UNH et auteure principale de l’étude, publiée récemment dans la revue Nature Ecology & Évolution. « Les éponges sont de plus en plus abondantes sur les récifs en réponse au changement climatique et elles jouent un rôle énorme dans la qualité de l’eau et la fixation des nutriments. »

L’importance du travail transcende les éponges, cependant, offrant une nouvelle approche pour comprendre le passé basée sur la génomique. « Si nous pouvons reconstituer l’histoire évolutive de communautés microbiennes complexes comme celle-ci, nous pouvons en dire long sur le passé de la Terre », déclare le co-auteur de l’étude, David Plachetzki, professeur agrégé de sciences moléculaires, cellulaires et biomédicales à l’UNH. « Une recherche comme celle-ci pourrait révéler des aspects de la composition chimique des océans de la Terre remontant à avant même l’existence des récifs coralliens modernes, ou elle pourrait fournir des informations sur le tumulte que les écosystèmes marins ont connu à la suite de la plus grande extinction de l’histoire qui a eu lieu à propos de il y a 252 millions d’années. »

Les chercheurs ont caractérisé près de 100 espèces d’éponges de toutes les Caraïbes à l’aide d’une méthode d’apprentissage automatique pour modéliser l’identité et l’abondance de chaque membre des microbiomes uniques des éponges, la communauté de microbes et de bactéries qui y vivent en symbiose. Ils ont trouvé deux compositions de microbiome distinctes qui ont conduit à différentes stratégies utilisées par les éponges pour se nourrir (les éponges capturent les nutriments en pompant de l’eau à travers leur corps) et se protègent contre les prédateurs, même parmi les espèces qui poussaient côte à côte sur un récif.

« Les types de communautés symbiotiques que nous décrivons dans cet article sont très complexes, mais nous pouvons montrer qu’ils ont évolué indépendamment plusieurs fois », explique Plachetzki.

Et, ajoute Pankey, « il y a quelque chose de très spécifique dans ce que font ces communautés microbiennes… les éponges des dizaines de fois ont décidé que cet arrangement diversifié de microbes fonctionnait pour elles ».

Tirant parti de cette nouvelle approche génomique, les chercheurs ont découvert que l’origine de l’un de ces microbiomes distincts, qui avait une abondance microbienne élevée (HMA) de plus d’un milliard de microbes par gramme de tissu, s’est produite à un moment où les océans de la Terre ont subi une importante changement biogéochimique coïncidant avec les origines des récifs coralliens modernes.

Alors que l’apprentissage automatique et le séquençage génomique ont généré les découvertes que Plachetzki appelle « un tour de force du séquençage microbien des codes-barres », cette recherche a commencé loin du laboratoire, dans les eaux chaudes des Caraïbes.

« Nous avons plongé pour les 1 400 de ces échantillons », explique Pankey, qui a participé à cinq expéditions en 2017 et 2018 pour collecter des éponges. « C’était une collection monstrueuse », ajoute-t-elle, reconnaissant que la plongée sous-marine dans les Caraïbes a ses récompenses. Le duo remercie le co-auteur Michael Lesser, professeur de recherche émérite à l’UNH, d’avoir établi des techniques de travail sur le terrain, et leurs co-auteurs de l’Université du Mississippi et de l’Universidad Nacional del Comahue en Argentine pour leur aide à la collecte d’éponges et à l’identification moléculaire. L’ancien étudiant diplômé Keir Macartney a également contribué à l’étude.

Plus d’information:

M. Sabrina Pankey et al, Cophylogénie et convergence de l’évolution de l’holobionte dans les symbioses éponge-microbe, Nature Ecology & Évolution (2022). DOI : 10.1038/s41559-022-01712-3

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