Photopériodisme chez des microalgues ubiquistes modèles du phytoplancton marin : mécanismes moléculaires et sensibilité à l'augmentation de la température de l'océan – CLIMA-CLOCK

Notre approche multidisciplinaire consiste à identifier les variations dans les composants des horloges circadiennes, des photorécepteurs et des effecteurs, puis à les tester fonctionnellement. WP2 : Analyse génomique biogéographique et temporelle Dans ce WP, nous avons réalisé une caractérisation détaillée des horloges circadiennes et des photorécepteurs chez le modèle de diatomée Phaeodactylum tricornutum et chez les génomes séquencés de Mamiellophyceae (Ostreococcus, Bathycoccus et Micromonas), en utilisant des analyses de génomique comparative. Nous avons également mené des analyses métagénomiques et métatranscriptomiques pour déterminer leur distribution géographique et leurs profils d’expression dans l’environnement. Profitant de campagnes océanographiques en Arctique à l’automne 2023 (Darkedge), dans le cadre du projet Refuge Arctic à l’été 2024, et en Patagonie chilienne (Mapuche) en février 2021, les partenaires P2 et P3 ont échantillonné des communautés de picophytoplancton. Plus de 500 souches de l’espèce cosmopolite Bathycoccus prasinos ont été isolées et séquencées à l’aide du séquençage Oxford Nanopore. WP3 : Évaluation du photopériodisme en culture et in situ Dans ce lot de travail, nous avons évalué les schémas de division cellulaire des variantes tempérées et polaires de Bathycoccus prasinos en réponse à la température et à la photopériode. Les profils transcriptomiques et métabolomiques ont été déterminés en réponse à la température chez des souches polaires et tempérées de Bathycoccus prasinos. Les profils d’expression de variants naturels de l’horloge circadienne ont également été étudiés sous différentes photopériodes. Nous avons également réalisé des analyses transcriptomiques complètes sur deux écotypes de P. tricornutum (Pt1 et Pt4) sous des cycles lumière-obscurité et en conditions de lumière constante. WP4 : Analyse fonctionnelle de gènes candidats Dans ce lot de travail, nous avons utilisé des approches de génie génétique chez les diatomées (inactivation de gènes) et chez les Mamiellophyceae (lignes rapportrices avec le gène de la luciférase) pour évaluer la fonction des photorécepteurs et des gènes de l’horloge circadienne

Identification de variants de l’horloge circadienne : Nous avons étudié les composants de l’horloge circadienne, les photorécepteurs et les effecteurs associés chez des espèces de picoalgues eucaryotes appartenant aux mamiellophyceae. Nos résultats révèlent une diversité inattendue de photorécepteurs, en particulier chez Micromonas, et mettent en évidence la famille de protéines à domaine CCT, un groupe clé de facteurs de transcription contrôlant les rythmes circadiens et le photopériodisme chez les plantes. TOC1, composant central de l’horloge circadienne chez O. tauri, est absent ou tronqué chez certaines espèces tropicales. Une analyse fonctionnelle a révélé que l’oscillateur TOC1/CCA1 n’est pas fonctionnel dans la souche tropicale RCC809, soulignant la diversité des adaptations au photopériode.

Identification des photorécepteurs impliqués dans la détection de la profondeur : L’analyse des données génomiques environnementales issues du projet Tara Oceans a révélé une distribution latitudinale des diatomées possédant le phytochrome DPH : totalement absentes des régions équatoriales. Grâce à un test in vivo de réponse dose-effet aux variations spectrales de la lumière, nous avons montré que, contrairement aux autres phytochromes connus, DPH déclenche des réponses photoréversibles sur l’ensemble du spectre lumineux, avec une forte sensibilité à la lumière bleue. En générant des mutants dph dans différentes espèces de diatomées, nous avons montré que, dans des conditions simulant une faible intensité de lumière bleue, similaires à celles rencontrées à grande profondeur, DPH régule l’acclimatation photosynthétique.

Une ressource biologique et génomique de variants naturels pour étudier l’adaptation latitudinale : Nous avons développé une ressource biologique et génomique pour le genre cosmopolite et écologiquement important Bathycoccus. Plus de 500 souches ont été isolées sur un gradient latitudinal de 40° à 78°N et 28 génomes de souches de haute qualité, obtenus. Nous avons utilisé une approche multi-omique pour décrire la diversité physiologique, pangénomique, transcriptomique et métabolomique de Bathycoccus prasinos. Nous avons identifié cinq sous-populations phylogénétiques caractérisées par des réponses physiologiques distinctes à la température. Une analyse d’enrichissement statistique a mis en évidence la présence d’une famille de gènes DUF285, potentiellement impliquée dans l’adaptation au froid. Enfin, les analyses transcriptomiques et métabolomiques ont révélé des réponses souche spécifiques suggérant l’évolution de mécanismes d’adaptation indépendants entre sous-populations adaptées au froid, qu’elles proviennent de régions éloignées ou non. De plus la comparaison des cycles de division jour/nuit a montré que la division cellulaire est régulée par le cycle lumineux dans les souches tempérées mais pas dans les souches polaires, ce qui souligne l’existence de régulations circadiennes spécifiques à hautes latitudes.

Le projet CLIMA-CLOCK ouvre de nombreuses perspectives sur des études intégrées du gène à l'écosystème pour comprendre les mécanismes d'adaptation du phytoplancton aux paramètres environnementaux dans un contexte écologique. Jusqu'à présent, la majorité des études portaient soit sur l'utilisation d'organismes modèles au laboratoire, soit sur l'exploitation des grands jeux de données métaomiques issues de grades campagnes océanographique. CLIMA-CLOCK a combiné ces deux approches. Les résultats obtenus dans l'ANR CLIMA-CLOCK ont permis de soumettre et d'obtenir deux nouveaux projets ANR. Dans l'ANR Seascale (2025-2028) porté par Olivier Jaillon (P3), en collaboration avec P1 (François-Yves Bouget), nous proposons d'identifier les variations génétiques impliquées dans l'adaptation à la température chez la picoalgue cosmopolite Bathycoccus prasinos, par une approche multiomique. Dans l'ANR D-PHYTO portée par Marianne Jaubert (P2), en collaboration avec François-Yves Bouget (P1), nous nous intéressons au rôle du phytochrome dans l'adaptation à la profondeur et la photopériode en utisant la génomique environnemental en plus du génie génétique chez les organisme modèles.

A la base des chaines alimentaires marines, le phytoplancton joue un rôle majeur dans la fixation et la séquestration du carbone dans les océans. Le phytoplancton marin comprend une large diversité de microalgues, réparties de l’équateur au pôle. Dans les régions polaires et tempérées, la prolifération du phytoplancton est saisonnière. L’adaptation à la longueur du jour au cours des saisons et au travers des latitudes (photopériodisme) est bien connue chez les animaux et les plantes terrestres. L’horloge circadienne est au cœur du photopériodisme. Cette horloge autonome, essentielle pour coordonner la physiologie à la photopériode, est synchronisée à la lumière perçue par des photorécepteurs ainsi qu’à la température. Le découplage de ces deux facteurs environnementaux dans le milieu naturel peut avoir un effet important sur la fitness ou le succès reproductif d’espèces adaptées à des saisons ou des latitudes données. Bien que les rythmes circadiens soient connus depuis longtemps, les bases génétiques du photopériodisme restent largement méconnues chez le phytoplancton.
L’objectif du projet CLIMA-CLOCK est d’identifier les mécanismes moléculaires régulant l’adaptation à la latitude et aux saisons chez le phytoplancton marin et d’estimer l’impact de l’augmentation de la température des océans sur ce photopériodisme. L’approche du gène à l’écosystème de CLIMA-CLOCK est innovante. Elle combine des analyses métagénomiques spatiales à grande échelle comme TARA Océan et temporelles (série de 10 ans en baie de Banyuls, France) pour identifier les variations génétiques naturelles dans les gènes de l'horloge et des photorécepteurs candidats ainsi que des approches de génomique fonctionnelle chez des organismes modèles pour tester l’importance de ces variations génétiques dans le photopériodisme. Le projet se concentrera sur deux ordres d’importance écologique majeure, les diatomées et les mamiellophyceae, pour lesquels des outils génétiques ont permis d’identifier des acteurs de l’horloge et les photorécepteurs par les partenaires du projet. La comparaison entre les diatomées et les mamiellophyceae permettra d’identifier les mécanismes communs et spécifiques du photopériodisme.
Notre étude fonctionnelle des variations génétiques naturelles dans l’adaptation du phytoplancton à la photopériode va au-delà des études les plus récentes qui se sont focalisées principalement sur la présence ou l’absence de gènes dans l’adaptation à des niches environnementales spécifiques. En intégrant des approches globales de génomique marine et des études fonctionnelles des régulateurs du photopériodisme, CLIMA-CLOCK permettra de construire un nouveau paradigme sur la connexion entre les dimensions spatiales et temporelles du photopériodisme. De plus les variations génétiques identifiées pourraient servir de marqueurs génomiques dans les études de l’impact du changement climatique sur la répartition spatio-temporelle du phytoplancton. Cette première étape est importante pour prédire les conséquences globales de l’augmentation de la température des océans sur la productivité du phytoplancton qui est un élément essentiel des écosystèmes microbiens océaniques, responsable de la moitié de la production d’oxygène de la terre.
Les résultats de CLIMA-CLOCK seront valorisés au travers de publications dans des journaux scientifiques internationaux à comité de lecture et de communications à des congrès nationaux et internationaux. Nous communiquerons aussi vers le grand public dans les journaux et média traditionnels. Une exposition sera également organisée au Biodiversarium de Banyuls sur Mer, un aquarium dédié à la médiation scientifique qui accueille 80 000 visiteurs par an.