La goélette Tara a parcouru entre 2009 et 2013 les océans du globe et récolté une multitude d'échantillons de plancton marin. L'Institut François-Jacob du CEA, à Evry, fait partie des acteurs de cette aventure scientifique avec le CNRS, l'EMBL et l'ENS. Ces chercheurs s'occupent de la partie séquençage et analyse bio-informatique des échantillons. Leurs résultats n'en finissent pas d'étonner la communauté scientifique.
Ces équipes ont montré que des gènes très différents s’expriment selon la température de l’eau ou la concentration en nutriments des zones océaniques étudiées. La moitié de ces gènes est inconnue, ce qui indique que l’océan, étant déjà un formidable réservoir de biodiversité, recèle en même temps un énorme potentiel de fonctions génétiques à découvrir. En utilisant des méthodes d’isolement et de caractérisation de cellules isolées, les chercheurs ont pu explorer plus spécifiquement le rôle des gènes présents dans ce compartiment peu étudié, incultivé mais très abondant du plancton, premier maillon d’une longue chaîne alimentaire.
Le plus grand catalogue de gènes liés à un écosystème
Les scientifiques ont établi le plus grand catalogue de gènes jamais assemblé pour un écosystème planétaire. Composé d’environ 117 millions de séquences différentes, ce catalogue a été établi grâce à l’isolement des gènes exprimés dans plus de 400 échantillons collectés au cours de l’expédition. Cette approche de séquençage massif d’ADN sans isolement d’organismes est dite de métatranscriptomique. Elle a permis d’observer des gènes s’exprimant dans des conditions écologiques particulières. Elle permet par exemple, de montrer que de nombreux organismes utilisent des réponses génétiques différentes selon la concentration en fer dans l’environnement. Les chercheurs ont pu déterminer les gènes impliqués selon les groupes d’espèces.
Cette étude met également en évidence une proportion particulièrement élevée de gènes aux fonctions biologiques encore inconnues, et qui représente plus de la moitié du catalogue obtenu.
Quels gènes pour quelles fonctions de la vie ?
Si la fonction des gènes du plancton peut désormais être étudiée globalement grâce à ce catalogue, il reste à identifier les organismes auxquels ils appartiennent. Dans un second article, les chercheurs de Tara Oceans caractérisent les génomes de plusieurs organismes majeurs dans l’environnement, mais qu’il est impossible pour l’instant de cultiver. Des cellules individuelles ont été prélevées et conservées pendant l’expédition, et leur ADN a pu être séquencé grâce aux méthodes en plein développement de la génomique « cellule-unique ». Ainsi, de nombreux gènes observés dans le catalogue ont pu être attribués à de très petits organismes (moins de 20 micromètres) se nourrissant d’algues et de bactéries, et constituant un échelon intermédiaire fondamental de la chaîne alimentaire. Cette analyse a révélé une diversité de fonctions insoupçonnées, révélatrice de la spécialisation dans ce compartiment du plancton.
Comment l’océan a-t-il évolué, comment fonctionne-t-il ?
Grâce à ces travaux, le voile commence à se lever sur les petits organismes plus complexes que les bactéries qui constitueraient la majeure partie du plancton océanique. Ils ouvrent de nombreuses perspectives pour comprendre l’écologie océanique à l’aide de gènes marqueurs. Il devient entre autres possible d’étudier les processus biogéochimiques majeurs de l’océan sur la base de l’expression de ces marqueurs. Enfin, une compréhension des mécanismes évolutifs et écologiques de l’écosystème océan semble désormais à portée de la recherche, en utilisant l’ensemble des ressources en espèces, en gènes, et en gènes exprimés apportées par Tara Oceans.