La symbiose vue au microscope. A gauche: coupe d'une racine de posidonie; à droite: les bactéries mises en évidence par fluorescence (en fuchsia) à l'intérieur d'une racine. (© Daniela Tienken/Soeren Ahmerkamp/Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie)

«On supposait jusqu'à présent que l'azote dit fixé que les herbes marines consommaient venait de bactéries vivant autour des racines dans le substrat, explique Mohr. Nos travaux montrent maintenant que la relation est beaucoup plus étroite: les bactéries vivent à l'intérieur des racines des posidonies. C'est donc la première fois qu'une véritable symbiose est mise en évidence chez les plantes à fleurs marines. Jusqu'à présent ce phénomène n'était connu que chez des plantes terrestres, dont certaines sont très importantes pour l'agriculture, comme les légumineuses, le blé ou la canne à sucre.» Ces dernières profitent aussi de bactéries symbiotiques qui fixent l'azote élémentaire atmosphérique et le convertissent en une forme assimilable et reçoivent en retour des sucres et autres nutriments. Des échanges très similaires se produisent entre les posidonies et leurs symbiotes.

Les bactéries qui vivent dans les racines des posidonies étaient inconnues jusqu'à maintenant. Wiebke Mohr et son équipe les ont baptisées Celerinatantimonas neptuna, en référence à leur hôte, la posidonie, dont le nom français vient du dieu de la mer Poséidon et le nom allemand (Neptungras) de son équivalent latin Neptune. On trouve aussi des cousines de C. neptuna dans diverses algues comme le fucus vésiculeux. «Quand les herbes aquatiques sont venues coloniser la mer à partir des terres il y a environ 100 millions d'années, elles ont certainement intégré les bactéries des grandes algues, suppose Mohr. Elles ont en quelque sorte copié le modèle très performant du milieu terrestre et se sont dotées d'un symbiote marin pour pouvoir survivre dans l'eau de mer pauvre en nutriments.» L'étude actuelle porte sur la posidonie de Méditerranée mais il est possible que le système ait également été adopté ailleurs. «Les analyses génétiques semblent indiquer que de telles symbioses existent aussi chez les herbes marines tropicales ou les salicornes, remarque Mohr. Ces associations permettent aux plantes à fleurs de coloniser les milieux les plus divers, même apparemment très pauvres, sur terre comme sous l'eau.»
 

Les eaux côtières sont plus ou moins riches en nutriments selon les saisons. En hiver et au printemps, les matières nutritives présentes dans l'eau et les sédiments marins couvrent les besoins des posidonies. «Les symbiotes sont alors présents de manière éparse dans les racines mais ils ne sont probablement pas très actifs», estime Mohr. En été, quand l'ensoleillement augmente et que les algues se développent en consommant les nutriments disponibles, l'azote devient vite une denrée rare. Les symbiotes prennent alors la situation en main. Ils livrent aux plantes l'azote dont elles ont besoin, si bien que c'est en été, qui devrait être une période de disette, qu'elles se développent le mieux.

Une combinaison de méthodes pour une analyse complète du phénomène

La présente étude enjambe en quelque sorte l'écosystème, s'intéressant aussi bien à la productivité de l'herbier de posidonies qu'aux symbiotes qui la permettent dans le système racinaire. Pour ce faire, les biologistes ont eu recours à tout un arsenal de méthodes qui leur ont permis d'étudier la symbiose de manière aussi détaillée que possible : mesures d'oxygène au cœur de l'herbier pour déterminer sa productivité, microscopie faisant appel à un marquage fluorescent spécifique des différentes espèces de bactéries (FISH) pour les localiser dans et entre les cellules racinaires, NanoSIMS (un spectromètre de masse ultramoderne) pour détecter l'activité des différentes bactéries, analyses génomiques et transcriptomiques pour identifier les gènes particulièrement importants pour les interactions plante/bactérie et donc fortement exprimés lors de celles-ci. Les biologistes ont, de la sorte, obtenu une description détaillée et étayée de cette étonnante coopération. «Nous voulons maintenant étudier ces nouvelles bactéries plus en détail, indique Mohr. Nous allons les isoler au laboratoire et examiner dans le détail comment la symbiose fonctionne et comment elle s'est créée. Et il sera certainement passionnant de chercher à savoir si des systèmes comparables existent aussi dans d'autres régions et d'autres milieux.»

Photo de couverture: Un biologiste de l'Institut Max Planck de Microbiologie marine lors de prélèvements dans un herbier de posidonies en Méditerranée. L'appareil mesure la teneur en oxygène du substrat. (© Hydra Marine Sciences GmbH)

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