Une capacité d’adaptation limitée rend les bactéries d’eau douce vulnérables au changement climatique

La capacité d’adaptation des bactéries d’eau douce avec un petit génome stagne pendant de longues phases. Cette stratégie évolutive surprenante a été découverte par des chercheurs de l’Université de Zurich à partir de l’analyse du génome d’échantillons prélevés dans le lac de Zurich et dans d’autres lacs européens. Pour préserver les services écosystémiques des lacs, il est essentiel de mieux comprendre la dynamique évolutive des communautés microbiennes dans les lacs.

Les ressources en eau douce sont limitées : Elles ne représentent que 3,5 % de l’eau sur Terre, dont seulement 0,25 % sont accessibles en surface. Pourtant, les lacs d’eau douce sont essentiels au fonctionnement des écosystèmes et au cycle global du carbone en raison de leur productivité biologique élevée et de leur activité microbienne. Les lacs sont essentiels à la survie de l’homme, car ils fournissent de l’eau potable et soutiennent l’agriculture, la pêche et les loisirs. Cependant, le changement climatique - en particulier la hausse des températures - menace ces habitats. Ces changements rapides perturbent les communautés microbiennes qui sont essentielles au cycle des nutriments et au maintien de la qualité de l’eau.

La manière dont les espèces bactériennes des lacs d’eau douce s’adaptent à l’évolution des conditions environnementales est déterminante pour la résilience des écosystèmes et la gestion durable des ressources", explique Adrian-Stefan Andrei. Il est responsable du laboratoire d’évogénomique microbienne à l’Institut de phytologie et de microbiologie de l’Université de Zurich (UZH). Avec son groupe de recherche, il a analysé des échantillons collectés entre 2015 et 2019 dans cinq lacs d’eau douce européens : le lac de Zurich, le lac de Thoune et le lac de Constance en Suisse, ainsi que le barrage de Rímov et le lac de Jirická en République tchèque.

L’adaptation aux niches écologiques est le principal mécanisme évolutif qui pousse à la diversification des populations et à l’émergence de nouvelles espèces. Nos résultats montrent de manière surprenante que les bactéries d’eau douce, qui ont un petit génome, passent souvent par de longues phases de stagnation adaptative’, explique Andrei. Cette stagnation va à l’encontre de l’attente générale selon laquelle les micro-organismes s’adaptent aux changements de conditions environnementales. Notre étude souligne l’importance de connaître les limites de la capacité d’adaptation des bactéries", ajoute le scientifique. Car ces communautés microbiennes remplissent des fonctions écologiques vitales dans les systèmes d’eau douce.

Des protéines sécrétées comme indicateurs de l’adaptation évolutive

Les bactéries s’adaptent à leur environnement principalement grâce aux protéines sécrétées par la cellule ou liées à la membrane cellulaire. Ces protéines jouent un rôle décisif dans l’absorption des nutriments, la communication interbactérienne ainsi que dans la reconnaissance des stimuli environnementaux et la réaction à ceux-ci. La capacité des bactéries à s’adapter dépend généralement de la diversité des gènes qui portent les plans de construction de ces protéines. Or, comme le montrent les résultats, la variation de ces gènes est étonnamment faible chez les bactéries d’eau douce dont le génome est de petite taille - ce qui indique une phase d’adaptation stagnante. Il pourrait donc être difficile pour ces micro-organismes de s’adapter à des conditions environnementales qui changent rapidement’, explique Andrei.

Les chercheurs supposent que ces bactéries ont atteint un pic de forme physique avec des structures protéiques et des niveaux d’activité idéaux. Leurs protéines ont déjà atteint un état optimal au cours de l’évolution. D’autres modifications importantes ne sont ni avantageuses ni nécessaires pour que les micro-organismes survivent dans leurs niches écologiques. Mais cela limite également leur capacité à tester de nouvelles variations génétiques et à s’adapter avec succès à des conditions environnementales dynamiques. Nous devons faire face aux effets croissants du changement climatique. Ils constituent une menace considérable pour les habitats d’eau douce, qui sont particulièrement vulnérables aux changements anthropiques’, explique Adrian-Stefan Andrei.

La littérature:
Lucas Serra Moncadas, Cyrill Hofer, Paul-Adrian Bulzu, Jakob Pernthaler, Adrian-Stefan Andrei. Des bactéries issues du génome de l’eau douce présentent des épisodes envahissants de stase adaptative. Communications de la nature. 23 avril 2024. DOI : 10.1038/s41467’024 -47767-7