Microcystis aeruginosa, un modèle pour étudier le déterminisme de la toxicité chez les cyanobactéries – MATRICS

Les proliférations de cyanobactéries perturbent le fonctionnement des écosystèmes aquatiques dans lesquels elles surviennent et constituent un risque important pour la santé animale et humaine. En effet, ces microorganismes sont capables de synthétiser une grande variété de toxines ayant des cibles très diverses (foie, système nerveux, peau et muqueuses). Parmi ces toxines, les microcystines qui sont des oligopeptides cycliques inhibant les protéines phosphatases, sont les plus fréquemment produites par les genres majeurs de cyanobactéries présents dans les écosystèmes aquatiques continentaux. Si la voie de synthèse de ces microcystines est désormais assez bien connue, en revanche de nombreuses questions demeurent sur le rôle fonctionnel de ces toxines et sur le déterminisme de leur production lors des événements de prolifération. En effet, pendant ces périodes, la quantité de microcystines synthétisées est, pour une même espèce, très variable au cours du temps et d'un site à l'autre, ce qui rend actuellement impossible la prédiction du niveau de toxicité lorsqu'une prolifération se développe. Pour tenter de répondre à ces questions, nous focaliserons nos travaux sur un modèle d'étude, Microcystis aeruginosa. Cette espèce est l'une des plus communes dans les plans d'eau en Europe (mais aussi dans le monde) et elle est impliquée dans de nombreux cas d'intoxications. Trois actions de recherche seront développées : La première action de recherche a pour but d'identifier les facteurs environnementaux qui influencent le niveau global de production de microcystines au cours des diverses phases d'une prolifération. Cette première action repose sur trois ateliers qui font appel à des suivis de terrain et à des approches expérimentales. Le premier de ces ateliers consistera à évaluer, dans des populations naturelles de Microcystis, les variations dans les proportions de clones toxiques et non toxiques au cours de divers évènements de prolifération et à rechercher quelles sont les variables environnementales associées à la sélection différentielle de ces deux types de clones. Il est en effet désormais établi que la toxicité d'une prolifération de cyanobactéries dépend en grande partie de la proportion relative des clones toxiques et non toxiques dans la population considérée. Pour déterminer cette proportion, nous utiliserons la Real Time-PCR, ciblée sur un des gènes impliqués dans la synthèse des toxines. Des expériences préliminaires ainsi que la bibliographie ont montré que cette approche est d'ores et déjà fonctionnelle. Les populations de Microcystis étudiées seront celles de deux retenues de la Loire ainsi que de 3 petits étangs piscicoles situés dans le même bassin hydrographique. En parallèle à ce suivi de terrain, nous développerons deux approches expérimentales (ateliers 2 & 3) qui se rapporteront à l'estimation comparée de la valeur adaptative (fitness) d'une souche de type sauvage productrice de microcystines (Microcystis PCC7806) et de son mutant non producteur de microcystines, dans le but d'évaluer le rapport coût/bénéfice à synthétiser des microcystines. Ces travaux reposeront à la fois sur des cultures isolées de ces souches afin d'estimer et de comparer leurs taux de croissance dans diverses conditions environnementales, et sur des co-cultures afin d'évaluer les capacités compétitives relatives de ces clones toxiques et non toxiques. Les conditions de culture testées seront choisies en fonction des résultats acquis dans l'atelier 1 et de données antérieures. Les mêmes travaux seront aussi effectués sur ces mêmes souches après insertion, par transformation, d'un gène rapporteur de stress, dans le but de détecter les effets précoces de la compétition sur les activités physiologiques de ces deux souches (atelier 3). La deuxième action de recherche (ateliers 4 et 5) consiste à réaliser une approche conjointe de transcriptomique et de protéomique comparées sur la souche sauvage toxique Microcystis PCC 7806 et sur son mutant non toxique, lorsqu'elles sont placées dans diverses conditions de culture. Le but de ces travaux est d'identifier des différences dans le métabolisme de ces deux souches (toxique/non toxique) afin de comprendre leurs capacités relatives à se développer dans des conditions environnementales variées. A partir de ces informations, nous pourrons formuler des hypothèses sur le rôle fonctionnel des microcystines dans le métabolisme cellulaire. Les conditions de culture testées seront celles identifiées dans les deux actions de recherche précédentes, comme jouant un rôle majeur dans la sélection différentielle des clones toxiques ou non toxiques. L'approche de transcriptomique reposera sur l'utilisation de puces à ADN de technologie Agilent, qui viennent d'être acquises par l'une des équipes participantes à ce projet. Les deux approches (transcriptomique et protéomique) seront réalisées sur les mêmes cultures. La troisième action de recherche (atelier 6) se veut intégrative des trois précédentes puisqu'elle a pour but de modéliser la dynamique des clones producteurs et non producteurs de microcystines dans une population de Microcystis. Ce travail de modélisation sera réalisé en deux étapes. Dans une première étape, nous intégrerons l'ensemble des résultats obtenus dans ce programme ainsi que les données de la bibliographie dans un modèle conceptuel. Dans un second temps, un travail de modélisation déterministe sera développé dans le but d'aboutir à un outil prédictif sur le risque toxique potentiel d'une prolifération de Microcystis en fonction de diverses contraintes environnementales et de la dynamique propre de la prolifération