Prochlorococcus marinus SS120

Les cyanobactéries marines du genre Prochlorococcus sont les plus petits organismes photosynthétiques connus ; ce sont aussi les plus abondants dans les océans et, par conséquent, sur la planète. Avec leur taille inférieure au micron (diamètre compris entre 0,5 et 0,7 micron), ces cellules procaryotes sont restées inaperçues jusqu’à la fin des années 1980, alors que l’existence d’organismes photosynthétiques de l’ordre du micron (picophytoplancton) était connue depuis 1979. Les cellules de Prochlorococcus étaient en effet impossibles à distinguer des bactéries hétérotrophes avec les techniques microscopiques traditionnelles, et seule la cytométrie de flux a permis de les révéler : en 1988, l’équipe de S.W. Chisholm, de l’institut de technologie du Massachusetts (MIT), annonça qu’elle avait découvert, au moyen d’un cytomètre de flux embarqué, une nouvelle classe d’organismes picoplanctoniques procaryotes. Ces cellules se distinguaient des cyanobactéries typiques du genre Synechococcus par leur faible signal de fluorescence rouge et leur quasi-absence de fluorescence orange, témoin d’une composition en pigments photosynthétiques très inhabituelle pour une cyanobactérie. Par ailleurs, elles semblaient très abondantes : plus de 100 000 cellules par millilitre dans les eaux hauturières, pourtant très pauvres en éléments minéraux (oligotrophie). On sait aujourd’hui que les cyanobactéries du genre Prochlorococcus dominent numériquement dans les zones centrales de tous les océans entre 40 degrés de latitude Nord et 40 degrés de latitude Sud. Dans ces eaux oligotrophes, elles représentent 40 à 50% de la biomasse du phytoplancton. Elles sont en outre présentes jusqu’à 200 mètres sous la surface, profondeur où l’énergie lumineuse est mille fois plus faible que celle reçue en surface.

Les raisons d’étudier les bactéries du genre Prochlorococcus sont nombreuses. Tout d’abord, il s’agit d’organismes d’une importance écologique capitale : avec les autres cyanobactéries marines du genre Synechococcus, ces cellules sont parmi les principaux producteurs primaires du phytoplancton, qui est lui-même responsable de la moitié de la photosynthèse à l’échelle du globe. Ce sont donc des acteurs de premier plan dans le fonctionnement océanique global, dans le cycle du carbone, et par conséquent dans l’évolution du climat.

Les bactéries du genre Prochlorococcus sont aussi remarquables par leurs adaptations :

• une taille minuscule, qui facilite l’acquisition des sels minéraux - présents en concentrations très faibles - grâce à l’augmentation du rapport surface/volume ; en outre, la réduction du diamètre cellulaire augmente le coefficient d’absorption des pigments photosynthétiques en réduisant l’auto-ombrage : la présence de plusieurs couches de membranes photosynthétiques (ou thylacoïdes) se traduit par une contribution moindre des pigments situés vers l’intérieur de la cellule par rapport aux pigments plus périphériques, et cet effet qui diminue avec la taille de la cellule.
• un génome de très petite taille chez certaines souches, une caractéristique sans doute imposée par la petite taille des cellules et la rareté de l’azote et du phosphore, qui rend les nucléotides coûteux. La grande stabilité de l’environnement de ces souches aurait rendu moins préjudiciable la diminution de potentiel adaptatif consécutive à la perte de gènes. Avec une taille d’environ 1,7 Mb, les génomes de ces souches sont les plus petits connus parmi les cyanobactéries, et plus généralement parmi les organismes oxyphototrophes. L’inventaire des gènes présents dans de tels génomes « minimaux » présente un grand intérêt.
• une composition pigmentaire remarquable, avec la présence de dérivés divinylés de la chlorophylle a et de la chlorophylle b, uniques au genre Prochlorococcus. Ces pigments, associés à des protéines dans la membrane des thylacoïdes, constituent l’antenne photosynthétique majeure de Prochlorococcus. Chez les cyanobactéries « typiques », au contraire, et notamment chez Synechococcus, l’énergie solaire est principalement collectée par des complexes nommés phycobilisomes, associant des pigments vivement colorés, les phycobilines, à différentes protéines ; la chlorophylle a ne joue chez ces espèces qu’un rôle secondaire. Or les phycobilisomes semblent absents chez Prochlorococcus, ou seulement présents de façon vestigiale chez certaines souches. Ce remplacement des phycobilisomes par une antenne à chlorophylle a/b enchâssée dans la membrane des thylacoïdes est retrouvé chez deux autres organismes, Prochloron et Prochlorothrix, qui sont parfois regroupés avec Prochlorococcus sous le nom de « prochlorophytes ». La nature de l’antenne des trois prochlorophytes est similaire et son organisation dans les thylacoïdes rappelle celle des algues vertes et des végétaux supérieurs. On a cependant montré que les prochlorophytes constituent trois lignées bien séparées au sein de la radiation des cyanobactéries et qu’aucun de ces trois genres n’est sur la lignée qui a conduit aux chloroplastes des cellules végétales. Il s’agit donc d’une remarquable convergence évolutive. Prochlorococcus se distingue d’ailleurs des autres prochlorophytes, non seulement par la présence de dérivés divinyl des chlorophylles, mais aussi par la présence d’alpha-carotène à la place du bêta-carotène.

La compréhension du rôle des cyanobactéries du genre Prochlorococcus dans l’écosystème océanique mondial passe par l’étude détaillée de leurs caractéristiques physiologiques. Or celles-ci apparaissent remarquablement diverses, avec la présence d’au moins deux écotypes génétiquement et physiologiquement très différents ; entre ces écotypes, et même en leur sein, on constate une variation importante au niveau de traits tels que les rapports pigmentaires, l’intensité lumineuse optimale de croissance, l’efficacité d’absorption de l’antenne, la capacité à utiliser l’azote, la spécificité vis-à-vis des cyanophages (phages infectant les cyanobactéries), etc.

Cette différenciation peut paraître à première vue surprenante pour un organisme photoautotrophe, qui n’a besoin que de lumière, de dioxyde de carbone et de sels minéraux pour croître et qui vit dans un milieu uniformisé par l’agitation des eaux. La colonne d’eau, dans les zones centrales de l’océan aux latitudes tropicales et sub-tropicales, est en fait fortement stratifiée par la densité et offre différentes niches écologiques : les eaux de surface reçoivent une énergie lumineuse importante et la concentration en sels minéraux y est très faible ; au contraire, les eaux comprises entre 100 et 200 mètres de profondeur reçoivent très peu de lumière, au spectre décalé vers le bleu, mais sont plus riches en sels nutritifs. Les souches de Prochlorococcus qui croissent dans les eaux de surface sont rangées dans l’écotype de haute lumière, et leur antenne contient principalement le dérivé divinylé de la chlorophylle a. Les souches qui croissent préférentiellement entre 80 et 200 mètres de profondeur constituent l’écotype de basse lumière et contiennent beaucoup de divinyl- chlorophylle b, qui absorbe de façon optimale la lumière bleue. Les génomes de ces souches possèdent plusieurs copies du gène qui code pour la protéine de l’antenne ; il s’agit sans doute d’une adaptation à la faible luminosité.

Afin d’élucider de façon plus complète les bases génétiques de ces adaptations, les chercheurs ont entrepris de séquencer les génomes de souches de Prochlorococcus issues de niches écologiques différentes. Le Joint Genome Institute (Walnut Creek, Californie) a ainsi séquencé les génomes de deux souches représentatives des écotypes de haute lumière (souche MED4) et de basse lumière (souche MIT9313). Cependant, la diversité génétique des souches de basse lumière est bien plus grande que celle des souches de haute lumière, et la séquence génomique de MIT9313 ne pouvait suffire à illustrer les tendances évolutives parmi ces souches « d’eau profonde ». Le séquençage d’une autre souche de basse lumière a donc été entrepris en parallèle au Genoscope à l’initiative de l’équipe « phytoplancton océanique » de la Station biologique de Roscoff. Cette souche, nommée Prochlorococcus marinus SS120, est la souche type du genre Prochlorococcus et la mieux caractérisée d’un point de vue écophysiologique. D’un point de vue phylogénétique, la souche SS120 apparaît assez éloignée de l’autre souche de profondeur séquencée, MIT9313, qui s’enracine à la base de la radiation des Prochlorococcus.

Les séquences génomiques de Prochlorococcus SS120, MED4 et MIT9313 ont fait l’objet de publications en août 2003, en même temps que la séquence d’une souche de Synechococcus, et leur comparaison a été très instructive. Le premier enseignement de ces séquences est la confirmation de l’hétérogénéité des souches de basse lumière : le génome de SS120, qui mesure 1,75 Mb et contient 1884 gènes, est presque aussi petit que celui de la souche de haute lumière MED4 (1,66 Mb, 1716 gènes) et apparaît comme un génome quasi minimal ; en revanche, le génome de la seconde souche de profondeur, MIT9313, est nettement plus gros (2,4 Mb, 2275 gènes). L’annotation indique par ailleurs que cette dernière souche est capable d’exploiter une gamme plus large de nutriments. Par exemple, MIT9313 peut utiliser les ions ammonium, nitrite, nitrate, cyanate, l’urée, les acides aminés et les peptides comme source d’azote, tandis que SS120 ne peut utiliser que l’ammonium et les acides aminés. SS120 serait en fait adapté à un environnement très stable, à la limite de la zone de pénétration de la lumière, tandis que MIT9313 serait adapté à des profondeurs plus faibles, correspondant à une zone de transition où les ressources disponibles sont plus diverses.

La comparaison de la séquence génomique de Prochlorococcus marinus SS120 avec celles des trois cyanobactéries d’eau douce déjà séquencées révèle la nature des gènes absents ou sous-représentés dans le génome « minimal » de SS120 : certains gènes photosynthétiques, des gènes impliqués dans la réparation de l’ADN, l’importation des solutés, le métabolisme intermédiaire, et dans de nombreuses autres fonctions. En particulier, les gènes impliqués dans la transduction du signal et la réponse aux stress environnementaux ont subi chez SS120 une réduction drastique, sans doute en raison de la grande stabilité de l’environnement de cette souche. Autre facteur de compacité : le génome de SS120 contient peu de gènes paralogues. L’un des rares exemples d’amplification génique concerne les 8 gènes pcb codant les protéines d’antenne (contre 2 chez MIT9313).

L’ensemble de ces données génomiques permettra des études écophysiologiques plus détaillées. L’enjeu est de mieux comprendre le fonctionnement de l’écosystème picoplanctonique, en réponse aux changements environnementaux tels que l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Plusieurs équipes impliquées dans l’annotation de SS120, dont l’équipe de Roscoff, participent actuellement au projet européen MARGENES, qui consiste à identifier et caractériser par des approches post-génomiques des gènes spécifiques de niches écologiques ou de fonctions particulières (photoprotection, nutrition, perception des signaux environnementaux, etc.) chez les cyanobactéries marines et les diatomées.

Un autre sujet, étudié dans différents laboratoires européens et américains, est la dynamique des populations de Prochlorococcus et Synechococcus, qui subissent l’assaut de minuscules prédateurs eucaryotes de quelques microns, et sont infectées par les cyanophages, qui semblent par ailleurs à l’origine de transferts horizontaux. Là encore, l’enjeu est de caractériser les différents génotypes qui interviennent dans ces relations interspécifiques. Enfin, le Département de l’Energie américain (DOE), dans le cadre de son programme Genome to Life (GTL), soutient une étude de modélisation du métabolisme global de Prochlorococcus MED4, à partir de la séquence génomique de cette souche de haute lumière. Totalement insoupçonné il y a moins de 20 ans, Prochlorococcus fait aujourd’hui l’objet d’un nombre impressionnant d’études génomiques, post-génomiques, physiologiques et écologiques, à la hauteur de son importance dans le fonctionnement océanique global.

L’annotation de la séquence génomique de Prochlorococcus marinus SS120 a été réalisée par un consortium européen composé des laboratoires suivants :
Equipe « phytoplancton océanique » (F. Partensky et D. Vaulot) au centre d’études océanographiques et de biologie marine de Roscoff (UMR 7127 CNRS et Université Paris 6) ; Unité des cyanobactéries (N. Tandeau de Marsac) au département de microbiologie fondamentale et médicale de l’institut Pasteur (URA 2172 CNRS) ; Institüt für Biologie und Genetik (W. Hess, aujourd’hui à Ocean Genome Legacy), Humboldt Universität zu Berlin ; Department of Biological Sciences (D. Scanlan), Warwick University, Coventry, Royaume-Uni.

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Publications

A. Dufresne et al. (2003), Genome sequence of the cyanobacterium Prochlorococcus marinus SS120, a nearly minimal oxyphototrophic genome, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 10020-10025.

G. Rocap et al. (2003), Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation, Nature 424, 1042-1047.