Colocataires microbiens aquatiques : Woesearchaeota et organismes photosynthétiques dans un écosystème lacustre – MARWEL

Dans le cadre de l’ANR JCJC MARWEL, nous avons mis en œuvre une approche intégrée combinant écologie de terrain, analyses moléculaires de pointe (métagénomique et métatranscriptomique) et stratégies de mise en culture. Cette approche multi-échelle visait à relier la diversité microbienne observée in situ aux capacités fonctionnelles et aux modes de vie des Archaea Woesearchaeota. Le projet a bénéficié de synergies fortes avec un projet IUF porté par M. Hugoni et une ANR PRC coordonnée par M. Ader, ce qui a permis d’étendre significativement l’effort d’échantillonnage initialement prévu. Des campagnes de terrain ont ainsi été menées deux fois par an en 2022, 2023 et 2024 ; et nous avons pu maintenir deux échantillonnages en 2025 en dépit du passage du cyclone Chido en décembre 2024.

Un premier objectif méthodologique majeur consistait à reconstruire des génomes de haute qualité de Woesearchaeota afin de permettre des analyses phylogénomiques et fonctionnelles robustes. Pour valider la stratégie analytique, nous avons d’abord travaillé sur des métagénomes issus d’échantillons collectés en 2017, ce qui a permis de développer et d’optimiser un pipeline bioinformatique dédié. Cette approche a conduit à la reconstruction de génomes de qualité et à leur analyse phylogénomique, fonctionnelle et transcriptomique. La méthodologie a été validée par une publication (Cloarec et al., 2024, Microbiome), puis déployée à plus grande échelle pour étudier la dynamique des communautés d’Archaea, et en particulier des Woesearchaeota, entre 2014 et 2022. Les analyses associées sont en cours de finalisation et feront l’objet d’une soumission prévue début 2026.

Un second volet du projet visait à établir des cultures de Woesearchaeota afin d’évaluer quel pouvait être le partenaire des Woesearchaeota. Ce travail a été renforcé par le recrutement d’un post-doctorant financé par l’Université Claude Bernard Lyon 1 qui a mis en place des cultures d’enrichissement sous plusieurs conditions de milieu. Dans ce cadre, des amorces spécifiques ciblant les Woesearchaeota ont été conçues, validées par clonage et séquençage Sanger, puis utilisées pour des analyses phylogénétiques confirmant leur spécificité. Les cultures d’enrichissement mises en place ont été suivies par quantification PCR à l’aide de ces amorces. À ce stade, plusieurs cultures montrent un enrichissement significatif en Woesearchaeota, bien que des analyses de métabarcoding 16S/18S indiquent la persistance d’une diversité microbienne associée. Ces résultats, qui illustrent les premières étapes vers la culture de ces microorganismes encore largement inexplorés, sont intégrés dans un manuscrit en cours de préparation, avec une soumission prévue début 2026.

Les résultats obtenus dans le cadre de l’ANR JCJC MARWEL démontrent l’intérêt du modèle archéen choisi. Nous avons montré que les Woesearchaeota, bien qu’appartenant à la biosphère rare, sont non seulement présentes mais également actives dans l’écosystème étudié, suggérant une contribution effective au fonctionnement du milieu. Ces travaux s’inscrivent notamment dans la thèse de Lilian Cloarec (soutenance le 16 décembre 2025), consacrée à l’étude de la diversité, de l’activité et des stratégies écologiques de ce phylum décrit pour la première fois en 2015, pour lequel aucun représentant n’est encore cultivé et dont le mode de vie reste principalement inféré à partir de données génomiques.

L’analyse d’une campagne d’échantillonnage menée en novembre 2017 a permis d’identifier deux zones majeures de transitions physicochimiques dans la colonne d’eau : une première zone vers 2 m de profondeur, où oxycline, thermocline et chémocline coïncident, et une seconde autour de 14 m, marquée par une chémocline associée à une augmentation des concentrations en sulfures réduits (H₂S/HS⁻). Le séquençage métagénomique massif a conduit à la reconstruction de 14 génomes de Woesearchaeota dont 9 de qualité. Leur analyse phylogénomique, basée sur 15 protéines ribosomales, a révélé une diversité structurée en six sous-groupes, dont certains semblent spécifiques d’environnements hypersalins, voire propres au lac Dziani Dzaha.

Malgré cette diversité, l’ensemble des génomes présente des profils d’abondance similaires, avec un premier pic à 2 m, conforme aux connaissances actuelles, mais également un second pic inattendu entre 14 et 16 m. Les données de métatranscriptomique ont confirmé une forte activité des Woesearchaeota dans ces deux zones et mis en évidence un métabolisme fermentatif actif, produisant notamment acétate, lactate et hydrogène. Ces résultats soutiennent l’hypothèse d’un mode de vie syntrophique et identifient les zones de transition comme des hotspots d’activité. Une analyse fine des profils transcriptomiques a par ailleurs révélé des écotypes distincts au sein des sous-groupes phylogénétiques, suggérant des stratégies écologiques différenciées en réponse aux conditions environnementales et/ou aux partenaires associés.

Enfin, l’analyse temporelle des communautés entre 2014 et 2022 a montré que les Woesearchaeota sont hautement dynamiques et réagissent aux perturbations majeures, notamment à la crise séismo-volcanique ayant affecté l’archipel mahorais à partir de 2018. Nos résultats indiquent un changement de l’équilibre entre processus stochastiques et déterministes dans l’assemblage des communautés, tout en mettant en évidence le maintien d’une redondance fonctionnelle pour des processus clés du recyclage du carbone, malgré d’importants remaniements taxonomiques.

Cette ANR JCJC ouvre des perspectives scientifiques majeures. En premier lieu, elle met en évidence toute la valeur écologique des suivis spatio-temporels à long terme des milieux naturels, en particulier dans un contexte de changements climatiques rapides et de perturbations extrêmes. Dans cette dynamique, l’obtention de la labellisation See-Life du CNRS (portée par Cécile Bernard, Pr MNHN) permettra de poursuivre le suivi du lac Dziani Dzaha. Ce dispositif est d’autant plus crucial que le passage du cyclone Chido en décembre 2024 a profondément modifié le bassin versant du lac, avec un décapage quasi total de la végétation environnante et un apport massif de matière organique, susceptible d’altérer durablement le fonctionnement biogéochimique et microbien de l’écosystème.

Sur le plan conceptuel, ce projet a mis en lumière les limites des approches -omiques actuelles pour caractériser le mode de vie des Woesearchaeota. Bien qu’aucune conclusion définitive n’ait pu être tirée quant à un mode de vie strictement libre ou attaché, le couplage de signatures génomiques et transcriptomiques liées aux interactions microbiennes (notamment les protéines de surface telles que la S-layer) et à la motilité (archaellines), combiné à une veille bibliographique approfondie, suggère un mode de vie bien plus flexible que supposé. Nous formulons l’hypothèse que les Woesearchaeota pourraient alterner entre des états libres et attachés, en fonction de la disponibilité et de la spécificité de l’hôte, mais aussi des conditions environnementales.

Plus largement, la place des Woesearchaeota dans les milieux salins modérés, appelés à être de plus en plus affectés par le changement climatique (notamment via une augmentation de la salinité liée au réchauffement), constitue un enjeu scientifique émergent. Dans ce contexte, j’ai proposé, dans le cadre de l’AAP ANR 2025, d’identifier les mécanismes expliquant le succès écologique de ces Archaea à génomes réduits et aux capacités métaboliques limitées. Enfin, le projet ERC Consolidator prévu pour janvier 2026 ambitionne d’explorer de manière intégrative le rôle des interactions microbiennes dans ce succès écologique, avec un focus particulier sur les gènes sans homologues connus, dont le potentiel fonctionnel sera interrogé à l’aide d’approches innovantes combinant géométrie des structures protéiques 3D et méthodes de machine learning.

Le projet MARWEL propose d’étudier les adaptations génomiques et les interactions des Woesearchaeota permettant de mieux comprendre leur écologie. Nous bénéficions d’un cas d’étude unique au sein d’un écosystème microbien lacustre extrême dans lequel un partitionnement de niche entre un mode de vie libre et associé à des microorganismes photosynthétiques (i.e. la cyanobactérie Arthrospira fusiformis et/ou le picoeucaryote Picocystis salinarum) est reporté pour les Woesearchaeota. Via l’utilisation d’une approche originale de tri cellulaire par cytométrie en flux couplée à des technologies de méta-omiques, notre but est (1) d’évaluer quelles sont les spécificités génomiques des Woesearchaeota associées au mode de vie libre versus associé aux photosynthétiques, et (2) de démontrer le type d’interactions mis en œuvre par les Woesearchaeota à micro-échelle dans le cas du mode de vie associé avec les microorganismes photosynthétiques, A. fusiformis et/ou P. salinarum.