Etude multi-échelle des avantages adaptatifs conférés par la capacité de modulation chromatique du contenu pigmentaire chez les cyanobactéries marines – EFFICACY

Dans le cadre d'EFFICACY, nous étudions les types pigmentaires de Synechococcus, et en particulier les acclimateurs chromatiques, à quatre niveaux organisationnels : gène, cellule, population et océan global :

1. Au niveau gène, notre stratégie consiste à inactiver dans la souche modèle de Synechococcus A15-62 les gènes potentiellement impliqués dans le processus CA4-B (les phycobiline-lyases mpeW et mpeQ, régulateurs fciA et fciB et un gène de fonction inconnue (bbaA/unk10) présent dans l'îlot génomique CA4-B). Puis, nous caractérisons le phénotype pigmentaire des mutants par rapport à la souche sauvage en utilisant diverses techniques biophysiques et biochimiques.

2. Au niveau cellulaire, nous essayons de comprendre i) pourquoi CA4-A et -B occupent des niches différentes dans le milieu marin malgré un même phénotype pigmentaire, et ii) l'avantage évolutif conféré par leur capacité à changer de couleur par rapport à des souches à pigmentation fixe. Pour cela, nous réalisons des études comparatives sur des mono-cultures de CA4-A et -B dans différentes conditions de quantité et qualité de lumière et différentes températures, et des co-cultures en continu en lumière bleue ou verte d'une souche capable de CA4 et de souches à pigmentation fixe, à savoir 1 spécialiste de la lumière bleue et 1 spécialiste de la lumière verte.

3. Au niveau populationnel, nous étudions les variations saisonnières de la distribution des types pigmentaires de Synechococcus à 2 stations à long terme, ASTAN en Manche et BOUSSOLE en Méditerranée occidentale. À chaque station, nous prélevons des échantillons d'eau de mer pour extraire l'ADN et séquencer les métagénomes, d'où nous extrayons des gènes de marqueurs pigmentaires, afin d'estimer l'abondance relative des différents types pigmentaires. Ces données sont ensuite corrélées avec les nombreuses métadonnées disponibles, (température, salinité, couleur de l'eau, etc.) afin de déterminer les facteurs environnementaux associés à chaque type pigmentaire.

4. Au niveau de l'océan global, un puissant modèle développé par le MIT simulant la biogéochimie de l'océan (Darwin; darwinproject.mit.edu) a été adapté pour simuler la répartition et l'abondance des différents types pigmentaires de Synechococcus dans l'océan mondial ainsi que les effets du changement global.

Les travaux réalisés dans le cadre de l'ANR EFFICACY nous ont permis d'obtenir plusieurs résultats importants:

1. Nous avons déterminé la fonction de deux enzymes, MpeW et MpeQ essentielles pour le processus CA4-B. Nous avons mis en évidence que ces enzymes sont en compétition: en lumière verte, MpeW est activée et fixe un pigment capturant le vert à un site particulier de MpeA, une sous-unité de la principale protéine de l'antenne photosynthétique de Synechococcus ; en lumière bleue, MpeW est inhibée et c'est MpeQ, dont l'expression est constitutive, qui fixe un pigment capturant le bleu à cette même position de MpeA (Grébert et al. 2021). Le processus CA4-B est donc similaire mais opposé à celui de la CA4-A, caractérisé préalablement, et qui résulte de la compétition entre l'enzyme MpeZ (activée en lumière bleue) et MpeY (exprimée constitutivement).

2. La caractérisation structurale de MpeQ a révélé son architecture en forme de ‘point d’interrogation’ et permis d’identifier son site actif et mettre en évidence les différences structurales existant au sein de la famille MpeQWYZ (Kumarapperuma et al. 2022).

3. Par ailleurs, nous avons étudié les mécanismes d’évolution des types pigmentaires de Synechococcus et montré que la sophistication progressive des complexes collecteurs de la lumière observée chez ce genre, depuis celle des spécialistes du vert jusqu'aux acclimateurs chromatiques, s'est accompagnée d'une complexification parallèle de la région génomique rassemblant les principaux gènes impliqués dans la biosynthèse des antennes photosynthétiques (Grébert et al. 2022).

4. Nous avons réussi à identifier en culture les subtiles différences qui existent entre souches CA4-A et CA4-B: si elles se comportent de la même façon en lumière bleue et verte, elles différent lorsqu'elles sont cultivées dans un mélange de ces deux couleurs, et leur dynamique d'acclimatation après passage du bleu au vert est également différente (Dufour et al. 2024).

5. Des expériences de co-culture d'une CA4-B, un spécialiste du bleu et un spécialiste du vert ont permis de montrer que les spécialistes gagnent la compétition dans leur couleur de prédilection à faible lumière, mais qu'à forte lumière bleue c'est la souche CA4-B qui prend le dessus (Dufour et al. 2025).

6. La modélisation des propriétés spectrales des eaux sous-marines a révélé que le milieu marin comportait 5 niches spectrales différentes (violette, bleue, verte, orange et rouge) en fonction de la charge en particules des eaux, et que la remarquable diversité pigmentaire de Synechococcus lui a permis de toutes les coloniser (Holtrop et al. 2021).

7. Enfin, la modélisation de la distribution mondiale des types pigmentaires de Synechococcus a montré que les acclimateurs chromatiques sont les plus ubiquistes et dominent à l'interface entre zones côtières, où dominent les spécialistes du vert, et les gyres océaniques, où dominent les spécialistes du bleu (Mattei et al. 2025).

La plupart des tâches planifiées dans le cadre du programme EFFICACY, dont la fin est prévue en juin 2025, ont été réalisées.

1. Concernant la compréhension des bases moléculaires du processus d'acclimatation chromatique de type CA4-B, nous avons caractérisé par une approche de mutagenèse classique les gènes des enzymes MpeQ et MpeW dans la souche modèle Synechococcus A15-62 (CA4-B). Nous avons également obtenu dans cette même souche par approche CRISPR un mutant du gène fciB, un régulateur transcriptionnel dont la caractérisation est toujours en cours. Nous essayons également d'obtenir un mutant CRISPR du deuxième régulateur CA4 (fciA) et, si possible, du gène unk10/bbaA, dont nous supposons qu'il a un rôle dans la liaison des chromophores collecteurs de lumière bleue sur les deux autres sites de liaison qui changent pendant le processus CA4.

2. Des expériences de monoculture et de co-culture de différents types de pigments de Synechococcus sont terminées. Un premier article montrant les différences entre les acclimateurs chromatiques de type CA4-A et CA4-B a été publié (Dufour et al. 2024), et un deuxième article décrivant les résultats de mono- et co-cultures continues des trois types de pigments (un acclimateur chromatique de type CA4-B, un spécialiste de la lumière bleue et un spécialiste de la lumière verte) et la comparaison de leur taux de croissance avec les prédictions d'un modèle de compétition pour la lumière vient d'être soumise pour publication.

3. Pour ce qui est des séries temporelles, nous avons collecté deux cycles annuels complets de prélèvement d'eau de mer et des métadonnées associés aux stations à long terme ASTAN en Manche et BOUSSOLE en Méditerranée. L'analyse des métagénomes nous a permis de mettre en évidence de fortes variations saisonnières de l'abondance relative des types pigmentaires de Synechococcus et le lien avec les variations des paramètres environnementaux. Les résultats montrent que les eaux bretonnes sont dominées alternativement par un spécialiste du vert et un acclimateur chromatique de type CA4-A, tandis que les eaux méditerranéennes voient l'alternance d'un spécialiste du bleu (en été) et d'un acclimateur chromatique de type CA4-A (en hiver). D'autres types pigmentaires sont aussi présents de façon saisonnière mais de façon plus minoritaire. Un article décrivant ces résultats est en préparation.

4. Enfin, en collaboration avec le MIT (Cambridge, USA), nous avons adapté le modèle global de biogéochimie de l'Océan Darwin (https://darwinproject.mit.edu/) afin de modéliser la distribution océanique des trois types pigmentaires de Synechococcus (acclimateur chromatique, spécialiste du bleu et spécialiste du vert) et un article décrivant les résultats a été publié. La modélisation de la distribution future de ces types pigmentaires dans un contexte de changement global suggère que l'océan futur sera plus stable, ce qui défavorisera les acclimateurs chromatiques par rapport aux spécialistes.

1. Carrigee L.A., Frick J.P., Karty J.A., Garczarek L., Partensky F. & Schluchter W.M. 2021. MpeV is the lyase isomerase for the doubly-linked phycourobilin on the ß-subunit of phycoerythrin I & II in marine Synechococcus. Journal of Biological Chemistry 296: 100031. DOI: 10.1074/jbc.RA120.015289
2. Grébert T., Nguyen A.A., Pokhrel S., Joseph K.L., Chen B., Ratin M., Dufour L., Haney A.M., Trinidad J., Karty J.A., Garczarek L., Schluchter W.M., Kehoe D.M. & Partensky F. 2021. Molecular basis of an alternative dual-enzyme system for light color acclimation of marine Synechococcus cyanobacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 118 (9) e2019715118. DOI: 10.1073/pnas.2019715118
3. Grébert T., Garczarek L., Daubin V., Humily F., Marie D., Ratin M., Devailly A., Farrant G.K., Mary I., Mella-Flores D., Tanguy G., Labadie K., Wincker P., Kehoe D.M. & Partensky F. 2021. Diversity and evolution of pigment types and the phycobilisome rod gene region of marine Synechococcus cyanobacteria. BioRxiv DOI: 10.1101/2021.06.21.449213.
4. Hess, W.R., Garczarek, L. & Partensky, F. 2021. Chapter 3: Marine Cyanobacteria. In: “The marine microbiome”, 2nd Edition, L.J. Stal and M.S. Cretoiu (eds.), Springer International Publishing, Switzerland, sous presse.
5.Holtrop T., Huisman J., Stomp M., Biersteker L., Aerts J., Grébert T., Partensky F., Garczarek L & van der Woerd H.J. 2021.Vibrational modes of water predict spectral niches for photosynthesis in lakes and oceans. Nature Ecology and Evolution 5: 55-66. DOI: 10.1038/s41559-020-01330-x.

Les changements globaux en cours devraient avoir de nombreuses conséquences sur les propriétés physico-chimiques des océans, et notamment sur la «couleur de l’eau», un signal utilisé par les modélisateurs pour évaluer la biomasse de la chlorophylle à l'échelle mondiale. Pour les cellules de phytoplancton, les changements de couleur de l'eau sont perçus comme une modification de leur niche lumineuse induisant une compétition entre espèces, pouvant conduire à des changements drastiques de la composition des communautés. Pour aborder la question de l'aptitude respective des espèces du phytoplancton à survivre dans des environnements aux propriétés spectrales altérées, nous nous concentrerons sur la picocyanobactérie Synechococcus, le deuxième organisme phytoplanctonique le plus abondant de l'océan et le plus diversifié en ce qui concerne sa pigmentation, avec au moins sept types pigmentaires présentant des signatures génétiques distinctes, ce qui permet de les différencier sur la base de trois gènes marqueurs. Nous avons récemment montré que les acclimateurs chromatiques (CA4), c’est-à-dire les cellules capables de modifier leur teneur en pigment de manière à capturer la couleur dominante du milieu (bleue ou verte), constituaient le type pigmentaire le plus abondant de l’océan, avec des abondances relatives similaires de deux types génétiquement différents, CA4-A et CA4-B, qui présentent des niches écologiques très complémentaires dans le milieu. Au cours du projet ANR EFFICACY, nous étudierons l’importance écologique et l’avantage adaptatif conférés par le processus CA4 en utilisant une approche multi-échelle. Nous allons : i) caractériser la fonction des gènes clés de l’îlot génomique CA4-B afin de révéler les différences moléculaires entre CA4-B et le processus bien caractérisé CA4-A afin de mieux comprendre en quoi et pourquoi la sélection naturelle a favorisé ces deux processus d'acclimatation chromatique; ii) faire des expériences de compétition entre des souches CA4 et d’autres souches de Synechococcus à pigmentation fixe afin de déterminer lesquelles sont les mieux adaptées à la lumière bleue ou verte et à différents intensités lumineuses afin de faciliter l'interprétation des variations spatiales et temporelles de ces types pigmentaires; iii) étudier les variations saisonnières de l’abondance relative des différents types pigmentaires de Synechococcus à deux sites océanographiquement distincts, les stations d’observation à long terme BOUSSOLE (Méditerranée) et ASTAN (Manche), en utilisant une approche métagénomique, et iv) intégrer les données dérivées des deux dernières tâches et de travaux antérieurs de l’équipe d’accueil dans un puissant modèle de l’océan mondial (Darwin) qui simulera la répartition spatiale et temporelle globale actuelle des types pigmentaires de Synechococcus et prédira l’effet du changement global sur la structure des communautés au cours des décennies à venir. En utilisant des technologies de pointe et un modèle océanique puissant afin d’étudier la diversité pigmentaire d'un microorganisme écologiquement important à toutes les échelles d'organisation, des gènes à l'océan mondial, incluant les variations saisonnières, cet ambitieux projet interdisciplinaire devrait apporter des connaissances sans précédent dans le domaine de la microbiologie environnementale et ouvrir la voie à une prévision plus précise de l'évolution des communautés phytoplanctonique dans son ensemble, dans le contexte du changement global.