Dévoiler les perspectives métagénomiques sur le cycle du carbone

Qu'est-ce que le cycle du carbone microbien ?

La Terre se vante d'une production annuelle stupéfiante de plus de 5 × 10^9 tonnes de résidus végétaux, principalement composés de polymères tels que la cellulose, l'hémicellulose, les polysaccharides et la lignine. La décomposition de ces restes organiques constitue un rouage vital dans l'équilibre du carbone organique, en particulier dans le Carbone Organique du Sol (COS), au sein des écosystèmes terrestres. Le COS représente le plus grand réservoir de carbone à la surface de la Terre, rendant même de légères fluctuations impactantes non seulement sur la composition et la fonctionnalité des communautés, mais aussi sur les émissions de gaz à effet de serre, y compris le CO₂ et le CH₄, et les dynamiques climatiques mondiales qui en découlent. Le sol mondial, jusqu'à une profondeur d'un mètre, contient environ le double de la quantité de COS (~1550 Pg) par rapport au réservoir de carbone atmosphérique (~708 Pg). Par conséquent, même de légères variations dans les réserves de carbone des sols mondiaux peuvent influencer de manière significative les concentrations de dioxyde de carbone (CO₂) dans l'atmosphère et, par extension, le changement climatique. Au cœur de ce scénario complexe se trouve la décomposition microbienne du carbone organique du sol, une partie intégrante du cycle mondial du carbone, influençant les processus de stockage et de libération du carbone, et jouant un rôle clé dans le maintien de l'équilibre du carbone. L'étude des processus de dégradation du carbone microbien dans les sols offre des solutions pour une meilleure gestion du carbone organique du sol, l'amélioration des stocks de carbone dans le sol et l'atténuation du changement climatique en réduisant les émissions de dioxyde de carbone. Notamment, les processus de dégradation du carbone microbien ne se limitent pas uniquement aux milieux du sol ; ils s'étendent aux plans d'eau, aux sédiments, aux décharges, aux processus végétaux in vivo, et aux environnements complexes des tractus intestinaux humains et animaux.

Cycle du carbone microbien. (Wang et al., 2022)

Analyse de l'extraction des gènes de dégradation du carbone par séquençage métagénomique

Avec le développement rapide de la technologie de séquençage à haut débit, les chercheurs peuvent désormais explorer de manière exhaustive les gènes de dégradation du carbone, en utilisant des méthodes telles que la métagénomique. Cette technologie élargit rapidement notre compréhension du cycle du carbone et des dynamiques des écosystèmes.

• Caractérisation des gènes de dégradation du carbone : Les scientifiques peuvent désormais plonger dans des échantillons environnementaux pour déchiffrer la distribution, la diversité et la fonction des gènes de dégradation du carbone dans les écosystèmes, éclairant leur impact sur la stabilité des écosystèmes et le cycle du carbone.
• Découverte de microorganismes non cultivés : La technologie facilite la découverte de microorganismes non cultivés avec des fonctions potentielles de dégradation du carbone provenant d'environnements divers, approfondissant notre compréhension du cycle du carbone et des écosystèmes.
• Élucidation des voies métaboliques : Les chercheurs peuvent désormais explorer les voies métaboliques de dégradation du carbone des microorganismes, révélant les mécanismes de dégradation et la régulation de divers composés organiques.
• Compréhension de la régulation des gènes : L'étude des mécanismes régulateurs des gènes de dégradation du carbone en conjonction avec des approches multi-omiques offre un aperçu des schémas d'expression et des mécanismes régulateurs de ces gènes, illuminant la relation entre la régulation des gènes et la dégradation microbienne de différents composés organiques.
• Évaluation des communautés microbiennes : La technologie fournit une plateforme pour étudier le potentiel de dégradation du carbone des communautés microbiennes, offrant une base théorique pour le développement d'enzymes biodégradables.

Étude de cas : Progrès dans la compréhension des mécanismes du cycle du carbone dans les communautés microbiennes

Le cycle du carbone, un processus biogéochimique primordial dans les écosystèmes du sol, reste un puzzle complexe au niveau communautaire. Les croûtes biologiques servent de systèmes modèles remarquables pour la recherche sur le cycle biogéochimique et l'ingénierie des écosystèmes. Bien que les techniques puissent prédire les processus de cycle des matériaux via l'abondance des gènes, l'étude des microorganismes du sol, responsables de la transformation du carbone, a été difficile en raison de facteurs tels que l'état physiologique microbien, la complexité structurelle de la matière organique du sol, et les variations dans l'état redox du carbone organique.

Dans une étude révolutionnaire, les chercheurs ont prélevé cinq échantillons de croûtes biologiques, chacun à différents stades de succession, sur quatre années consécutives dans un site de terrain typique. Les résultats, tirés d'une gamme de techniques métagénomiques et d'outils d'analyse de modélisation de big data, ont révélé les schémas de cycle du carbone microbien dans les communautés de croûtes biologiques et leurs interactions et mécanismes régulateurs.

Cycle du carbone basé sur le séquençage métagénomique. (Wang et al., 2022)

Les résultats ont mis en évidence que les gènes de fixation du carbone inorganique, alimentés par l'énergie lumineuse, étaient rares, tandis que les gènes associés à la dégradation du carbone organique économe en énergie, à la fermentation, à la respiration aérobie et à l'oxydation du CO étaient abondants. Les analyses de co-occurrence ont en outre révélé que le cycle du carbone dans les écosystèmes de croûtes biologiques englobe à la fois un module d'assimilation semblable à la production primaire et un module allochthon qui ressemble à la production secondaire. La relation entre les voies de cycle et la composition des communautés microbiennes évolue dynamiquement avec la succession, et les deux modules sont interconnectés par le cycle CBB, la fermentation de l'éthanol et de l'acide propionique, équilibrés par l'aridité et la salinité.

En résumé, cette étude représente un grand pas en avant dans la compréhension du monde complexe du cycle du carbone au niveau des communautés microbiennes, offrant un chemin prometteur vers une meilleure gestion de nos écosystèmes.

Référence :

1. Wang, Qiong, et al. "Cycle du carbone dans les écosystèmes microbiens des croûtes biologiques." Soil Biology and Biochemistry 171 (2022) : 108729.