Une étude sud-africaine examine la survie des micro-organismes dans la glace hivernale de l’Antarctique
Une étude menée par des chercheurs sud-africains révèle la présence de fortes concentrations d’un composé qui aide les microbes à faire face à des conditions extrêmes.
Chaque hiver austral, la banquise s’étend sur l’océan Austral, tandis que des mois d’obscurité, de froid extrême et de conditions météorologiques difficiles rendent la région particulièrement difficile à étudier.
De ce fait, les communautés microbiennes de l’hiver antarctique restent bien moins bien comprises que celles observées pendant les mois d’été, plus accessibles. Une étude menée par des chercheurs sud-africains apporte aujourd’hui un nouvel éclairage sur la manière dont les micro-organismes vivant dans la glace de mer hivernale parviennent à faire face à ces conditions extrêmes.
Publiée dans *Nature Communications*, cette étude1 a examiné les communautés microbiennes vivant dans la banquise et l’eau de mer de l’océan Austral pendant l’hiver austral, en se concentrant sur le diméthylsulfoniopropionate (DMSP), un composé soufré.
Les chercheurs ont constaté que les concentrations de DMSP dans la glace de mer étaient de deux à 38 fois supérieures à celles de l’eau de mer environnante, identifiant ainsi la glace de mer hivernale comme un réservoir concentré de ce composé. Leur analyse génomique a également révélé la présence de diverses bactéries porteuses de gènes associés à la production de DMSP, y compris des groupes microbiens dont on ignorait jusqu’alors qu’ils possédaient cette capacité génétique.
« L’aspect le plus important de cette étude est qu’elle nous apporte la preuve la plus claire à ce jour de la manière dont les communautés microbiennes s’adaptent physiologiquement pour survivre aux conditions de la glace de mer antarctique en hiver », explique Z. Mayibongwe Buthelezi, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au département de microbiologie et à l’École des sciences des données et de la pensée computationnelle de l’université de Stellenbosch.
« Au lieu de nous contenter d’observer quels microbes sont présents, nous avons mis au jour les fondements génétiques de leur survie en démontrant que la capacité à produire, accumuler et dégrader le DMSP joue un rôle clé dans l’adaptation microbienne au sein de la banquise antarctique. »
Les chercheurs précisent toutefois que leur analyse génomique identifie le potentiel de métabolisme du DMSP plutôt que de mesurer directement cette activité. Ils ont analysé les gènes présents dans les communautés microbiennes, mais n’ont pas mesuré leur expression ni les taux de production et de transformation du DMSP. De futures études combinant des données génomiques avec des analyses d’expression génique ou protéique et des mesures directes des processus pourraient permettre de déterminer quels microbes et quelles voies métaboliques sont actifs pendant l’hiver polaire.
Un composé de survie dans la glace
Au cœur de cette étude se trouve le DMSP, un composé organique soufré produit par de nombreux micro-organismes marins et qui les aide à faire face aux températures glaciales et à la forte salinité de la glace de mer antarctique. Lorsqu’il se décompose, il peut également fournir du carbone et du soufre aux micro-organismes marins, reliant ainsi les stratégies de survie microbiennes à des processus biogéochimiques plus larges.
« Nous avons également découvert des groupes bactériens dont on ignorait jusqu’alors qu’ils possédaient ces voies métaboliques du DMSP », explique Buthelezi.
La manière dont les micro-organismes métabolisent le DMSP a également une importance au-delà de la glace de mer elle-même. Différentes voies métaboliques peuvent produire des composés soufrés, notamment le diméthylsulfure (DMS) et le méthanethiol (MeSH), reliant ainsi le cycle microbien du DMSP à la chimie océan-atmosphère. L’étude identifie le potentiel génétique de ces voies, bien qu’elle n’ait pas mesuré directement les taux de production de gaz.
Les données génomiques ne permettent toutefois pas de mesurer directement le niveau d’activité de ces voies métaboliques. Les chercheurs soulignent que des travaux supplémentaires, s’appuyant sur des données d’expression génique ou protéique ainsi que sur des mesures directes des processus microbiens, seront nécessaires pour déterminer quels organismes produisent et transforment activement le DMSP pendant l’hiver antarctique.
L’importance de ces micro-organismes va au-delà de leur capacité à tolérer des conditions extrêmes. Les micro-organismes marins jouent un rôle fondamental dans les réseaux trophiques de l’océan Austral ainsi que dans le cycle du carbone, du soufre et d’autres nutriments.
« Bien qu’ils soient de taille microscopique, les micro-organismes marins constituent la base de l’ensemble de l’écosystème de l’océan Austral en raison de leur métabolisme rapide et de leur abondance démographique. Ces micro-organismes assurent le cycle du carbone, du soufre et d’autres éléments essentiels », explique Buthelezi.
La compréhension de ces processus revêt une importance croissante alors que la banquise antarctique subit des changements rapides et très variables. Déterminer comment les communautés microbiennes de la banquise réagissent pourrait aider les scientifiques à comprendre comment les changements dans l’océan Austral gelé affectent les cycles biogéochimiques marins.
La science dans la nuit polaire
Pour répondre à ces questions, il a fallu s’aventurer dans l’un des environnements les plus hostiles à la recherche scientifique. Les expéditions hivernales en Antarctique impliquent des mois d’obscurité, des tempêtes, une mer agitée et une banquise en expansion, ce qui rend la recherche scientifique très difficile à cette période de l’année.
Les échantillons ont été prélevés lors de l’expédition hivernale « Southern Ocean Seasonal Experiment » (SCALE), menée à bord du navire de recherche sud-africain SA Agulhas II en juillet 2022. Cette expédition de 21 jours a réuni des équipes de recherche sud-africaines et internationales afin d’étudier les processus océaniques, atmosphériques et liés à la banquise dans la zone marginale de glace de l’océan Austral.
Buthelezi se souvient que l’expédition a nécessité des adaptations en fonction des conditions météorologiques et de la banquise.
« Le voyage s’est principalement déroulé dans des vents très violents et une mer agitée », explique Buthelezi. « Mais cela en valait la peine. »
Ces travaux découlent de la thèse de doctorat de Buthelezi sur les communautés microbiennes de l’océan Austral. Il faisait partie des chercheurs de l’université de Pretoria participant au projet sur le microbiome lors de la campagne hivernale SCALE (Southern oCean seAsonaL Experiment) de 2022.
Bettine van Vuuren, déléguée nationale de l’Afrique du Sud auprès du Comité scientifique pour la recherche antarctique (SCAR), replace cette étude dans le contexte de l’histoire bien plus longue de la recherche sud-africaine sur l’Antarctique et l’océan Austral.
« L’Afrique du Sud n’en est pas à ses débuts en matière de recherche polaire ; elle fait partie des douze signataires originaux du Traité sur l’Antarctique de 1959 et comptait parmi les nations fondatrices du Comité scientifique pour la recherche antarctique (SCAR) l’année précédente », explique-t-elle.
Les décennies de recherche scientifique menées en Antarctique et dans l’océan Austral par des scientifiques sud-africains ont permis à l’Afrique de se faire une place sur la scène mondiale de la recherche polaire.
L’atout de l’Afrique du Sud en matière de recherche polaire
Selon Mme Van Vuuren, le rôle de l’Afrique du Sud dans la science antarctique a évolué au-delà de la simple participation à des programmes internationaux pour inclure la formulation de questions de recherche, l’organisation d’expéditions et la conduite d’études. L’expédition SCALE, dit-elle, démontre comment la position géographique du pays et ses décennies d’infrastructures de recherche dans l’océan Austral peuvent offrir un accès dont disposent relativement peu de nations.
« La campagne hivernale SCALE à bord du brise-glace sud-africain SA Agulhas II illustre comment la position géographique unique de l’Afrique du Sud et ses décennies d’expérience en matière de logistique dans l’océan Austral créent des opportunités de recherche dont peu de pays peuvent se prévaloir. »
La question scientifique plus large consiste à déterminer comment les processus microbiens au sein de la glace de mer contribuent aux cycles du carbone et du soufre dans l’océan Austral, et comment ces processus pourraient évoluer à mesure que l’environnement de la glace de mer se modifie
« Les modèles climatiques et écosystémiques sont encore mal équipés pour intégrer les processus microbiens, en particulier ceux qui se produisent dans la glace de mer antarctique en hiver », explique Buthelezi.
L’étude identifie la glace de mer antarctique hivernale comme un réservoir étonnamment riche en DMSP et révèle l’existence de communautés microbiennes diversifiées dotées de la capacité génétique de produire et de dégrader ce composé. Le prochain défi consiste à déterminer dans quelle mesure ces voies métaboliques sont actives pendant l’hiver polaire — et comment elles réagissent à mesure que l’environnement de la glace de mer antarctique continue d’évoluer.
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