L’océan recouvre plus de 70 % de la surface de notre planète. Cette gigantesque masse d’eau a un rôle central dans la régulation du climat, notamment car elle capture une grande quantité d’un gaz dit « à effet de serre » : le dioxyde de carbone.

Ce sont des processus de nature biologique qui sont à l’origine de la majorité de l’activité de cette pompe à carbone, qui reposent sur le métabolisme d’une vaste diversité de microorganismes marins. Parmi ceux-ci, le phytoplancton rassemble ceux qui sont photosynthétiques, comme le sont les plantes terrestres que nous connaissons mieux. Le phytoplancton est ainsi capable, en utilisant l’énergie lumineuse du soleil et les sels nutritifs dissous dans l’eau de mer, de fixer de grandes quantités de dioxyde de carbone pour synthétiser les molécules permettant de fabriquer de nouvelles cellules. On estime que ces microorganismes sont responsables d’environ la moitié de la fixation de carbone sur Terre. Il existe de nombreux groupes de phytoplancton et on en découvre régulièrement de nouveaux ! Les microorganismes phytoplanctoniques considérés aujourd’hui comme numériquement les plus abondants sur Terre sont les cyanobactéries.

Les cyanobactéries marines peuvent être visualisées microscopie classique (gauche), mais aussi grâce à leur forte fluorescence naturelle (droite) © Christophe Six

Les cyanobactéries sont les seules bactéries capables de faire la photosynthèse oxygénique et elles sont d’ailleurs, évolutivement parlant, à l’origine de la photosynthèse des plantes terrestres. Les cyanobactéries habitant les lacs et les rivières ont une bien mauvaise réputation, car certaines d’entre elles peuvent pulluler en synthétisant des molécules toxiques pour l’homme et beaucoup d’animaux. La cyanobactérie Microcystis est ainsi régulièrement à l’origine d’intoxications voire de morts d’animaux domestiques en France.

​Des cyanobactéries présentes de l’équateur aux cercles polaires

Les cyanobactéries marines, elles, sont inoffensives et ont colonisé la majorité de l’océan mondial de l’équateur aux cercles polaires. Les cyanobactéries marines sont donc très abondantes sur Terre, mais ce sont aussi les plus petits organismes photosynthétiques que l’on connaisse, puisque la plus petite d’entre elles mesure moins d’un micromètre de diamètre ! De par leur importance écologique, les cyanobactéries marines sont un sujet d’étude privilégié pour la communauté scientifique s’intéressant au fonctionnement de l’Océan et sa réponse aux changements climatiques.

Cultures de différentes souches de cyanobactéries des genres Prochlorococcus et Synechococcus. Les différentes souches présentent une large gamme de coloration, indiquant leurs différentes combinaisons de pigments pour la photosynthèse © Allison Coe / Wikimedia CC BY-SA 1.0

La cyanobactérie marine la plus largement répandue dans les océans s’appelle Synechococcus, et est intensément étudiée par une équipe de recherche de la Station Biologique de Roscoff, un institut breton codirigé par le CNRS et Sorbonne Université. Ces chercheurs ont montré que durant leur évolution, les cyanobactéries Synechococcus ont colonisé les différents océans notamment en différenciant des thermotypes, c’est-à-dire des variants génétiques adaptés à des gammes définies de température de l’eau de mer. En d’autres mots, les Synechococcus habitant les mers subpolaires ne sont pas exactement les mêmes que celles qui vivent dans les mers tempérées ni dans les océans tropicaux.

​La photosynthèse diffère selon les régions océaniques

Dans une étude récente publiée dans la célèbre revue américaine Proceedings of the National Academy of Sciences, les scientifiques bretons se sont penchés sur la façon dont les cyanobactéries Synechococcus ont modifié la façon dont elles utilisent la lumière en fonction de la température de l’eau de mer. Des souches de cyanobactéries, isolées dans des océans subpolaires et tropicaux lors de grandes campagnes océaniques, ont été purifiées et cultivées en laboratoire à différentes températures. En développant une batterie de mesures biophysiques et biochimiques telles que la fluorimétrie pulsée et l’immunologie quantitative, il a été possible de mettre en évidence des mécanismes adaptatifs importants pour la compréhension de l’évolution de la photosynthèse dans les océans.

Cultures en laboratoire de cyanobactéries marines © Christophe Six

Les résultats ont montré que les cyanobactéries des mers subpolaires ne peuvent pas supporter des températures supérieures à 25 °C, mais sont capables de se diviser à des températures relativement basses. Les chercheurs ont démontré que, pour résister au froid, ces organismes utilisent une protéine photoprotectrice appelée OCP (Orange Carotenoid Protein), qui leur permet de protéger leur appareil photosynthétique dans ces conditions thermiques stressantes. En étudiant l’ADN récolté lors des grandes expéditions circumplanétaires TARA Ocean, il a pu être montré qu’au cours de l’évolution, le gène codant pour cette protéine a quasiment disparu des génomes des populations naturelles tropicales. Ceci montre que la température est un facteur qui influence énormément l’évolution de la photosynthèse des cyanobactéries dans les océans.

Les cyanobactéries Synechococcus tropicales, quant à elles, se sont révélées incapables de pousser à des températures inférieures à 16 °C. En revanche, les différentes mesures ont montré, de façon éclatante, qu’elles peuvent synthétiser une quantité phénoménale de protéines photosynthétiques à partir de 25 °C. Les cultures arborent alors une couleur rose très intense. Les hautes températures leur permettent ainsi de fixer beaucoup de carbone atmosphérique et de se diviser à des taux de croissance les plus élevés jamais mesurés pour ces microorganismes.

Cette étude suggère ainsi que, dans le contexte actuel de réchauffement climatique, les populations de cyanobactéries Synechococcus habitant les mers subpolaires seront à terme fragilisées alors que leurs congénères tropicales pourraient devenir très compétitives, particulièrement en milieu côtier. On pourrait penser que cette augmentation de la photosynthèse cyanobactérienne pourra ralentir le réchauffement climatique en fixant plus de dioxyde de carbone atmosphérique. Mais on ne peut cependant pas ignorer que le phytoplancton est à la base de toutes les chaines trophiques marines et une étude précédente suggère qu’une augmentation significative des populations de cyanobactéries marines pourrait conduire à une déstabilisation de certaines chaînes alimentaires marines, qui aurait alors d’autres conséquences encore difficiles à prévoir.

Cette analyse a été rédigée par Christophe Six, enseignant-chercheur en biologie végétale marine à Sorbonne Université.
L’article original a été publié sur le site de The Conversation.