Exploration du cycle du méthane par séquençage métagénomique

Cyclage du méthane

Méthane (CH)₄), est un composé omniprésent dans la nature. Il représente la substance organique la plus basique et l'hydrocarbure le plus simple. Cependant, son importance environnementale ne peut être sous-estimée. Le méthane est un gaz à effet de serre puissant, juste derrière le dioxyde de carbone, exerçant une influence substantielle sur l'écosystème de notre planète et les dynamiques climatiques mondiales. Il possède un potentiel de réchauffement climatique 28 fois supérieur à celui du CO.₂contribuant à environ 20 % de l'effet global de réchauffement climatique.

Les processus métaboliques du méthane actuellement à l'avant-garde de l'investigation scientifique sont la méthanogenèse et l'oxydation du méthane. Dans ces processus, les microorganismes jouent des rôles essentiels. Plus des deux tiers des émissions mondiales de méthane proviennent de sources microbiennes, une part significative étant attribuée aux microorganismes producteurs de méthane, connus sous le nom de méthanogènes. Ces microorganismes prospèrent principalement dans des environnements anaérobies, dépourvus d'oxygène.

Potentiel de cycle du méthane dans la zone d'oxygène minimal de la mer d'Arabie.

Séquençage métagénomique et analyse des gènes du cycle du méthane

Le domaine de l'analyse génétique du cycle du méthane métagénomique emploie techniques de séquençage métagénomique dévoiler les capacités fonctionnelles et les activités des microorganismes au sein de divers habitats. Cette approche permet de reconstituer leurs contributions au complexe cycle du méthane. En utilisant des technologies de séquençage avancées, séquences de génomes microbiens sont obtenus à partir de divers écosystèmes. Par la suite, ces ensembles de données métagénomiques sont annotés pour révéler leur implication dans les fonctions de métabolisme du méthane et pour identifier les espèces impliquées. Ce processus est facilité par la Base de Données sur le Métabolisme du Cycle du Méthane.

La base de données est essentielle pour l'annotation. données de séquençage métagénomique d'un large éventail d'environnements, y compris les sédiments de sources chaudes, les sédiments marins, les écosystèmes d'eau douce, les tourbières et les régions de toundra. Les résultats fournissent une analyse efficace, spécifique et complète des aspects structurels et fonctionnels des communautés microbiennes impliquées dans le métabolisme du méthane. Cette approche de haute précision améliore notre compréhension du cycle du méthane piloté par les micro-organismes et de ses interactions complexes avec d'autres éléments de l'environnement.

Cas : Cycles de l'azote et du méthane dans les zones de minimum d'oxygène de la mer d'Arabie

Dans les zones de minimum d'oxygène (ZMO) de l'océan mondial, où les concentrations en oxygène chutent à moins d'un pour cent, des communautés microbiennes uniques pilotent des cycles biogéochimiques complexes, y compris ceux de l'azote et du méthane. Ces régions sont des contributeurs essentiels à la perte d'azote océanique, jouant un rôle crucial dans la formation de la composition chimique des océans du monde. Parmi les ZMO, la mer d'Arabie se distingue comme un site notable où des processus d'anammox (oxydation anaérobie de l'ammonium) et de dénitrification ont été documentés.

Pour acquérir une compréhension plus approfondie du potentiel génétique pour le cycle de l'azote et du méthane au sein de la zone de minimum d'oxygène (OMZ) de la mer d'Arabie, une étude métagénomique complète a été réalisée, se concentrant sur deux zones distinctes : les régions supérieures et centrales de l'OMZ.

Dans la zone supérieure de la zone de minimum d'oxygène (OMZ) de la mer d'Arabie, ils ont observé une communauté diversifiée de Thaumarchaeotasuggérant leur implication dans l'oxydation aérobie de l'ammonium. Thaumarchaeota sont connus pour leur capacité à oxyder l'ammonium de manière aérobie, mettant en lumière les processus de cycle de l'azote dans la zone morte océanique supérieure. La présence de cette diversité Thaumarchaeota les points de communauté à leur participation active dans cette étape essentielle du cycle de l'azote.

Inférence phylogénétique des contigs thaumarchéaux assemblés à partir des métagénomes de l'OMZ. (Lüke et al., 2016)

Inférence phylogénétique des contigs liés à Scalindua assemblés à partir des métagénomes de l'OMZ. (Lüke et al., 2016)

En s'enfonçant plus profondément dans la zone centrale de la zone morte de l'océan Indien, ils ont observé une faible diversité de bactéries anammox de type Scalindua, qui jouaient un rôle significatif dans la perte d'azote. Les bactéries anammox sont réputées pour leur capacité unique à convertir l'ammonium et le nitrite en gaz nitreux dans des conditions anaérobies, contribuant ainsi à la réduction des composés azotés dans l'océan.

L'étude a également identifié Nitrospina spp. et une nouvelle lignée d'organismes oxydant le nitrite comme acteurs clés de l'oxydation aérobie du nitrite au sein de la zone de minimum d'oxygène (OMZ). Ces deux groupes étaient présents en abondance à peu près égale, soulignant leur importance partagée dans le maintien des processus de cycle de l'azote dans cet environnement.

De plus, leurs recherches ont indiqué le potentiel de réduction dissimilatoire des nitrates en ammoniac (DNRA) dans la zone de minimum d'oxygène (OMZ). Les micro-organismes responsables n'ont pas encore été identifiés mais ont été trouvés avec un gène nrfA divergent. La DNRA est une étape essentielle du cycle de l'azote, convertissant les nitrates en ammoniac et influençant la disponibilité des nutriments essentiels dans l'océan.

Alors que le données métagénomiques n'ont pas fourni de preuves concluantes pour un cycle actif du méthane dans la zone de minimum d'oxygène de la mer d'Arabie, ils ont cependant détecté une faible abondance de diversité de monooxygénases d'alkanes novelles. Ces résultats suggèrent que le métabolisme du méthane pourrait se produire, bien qu'à un niveau relativement bas.

En conclusion, leur étude métagénomique complète de la zone de minimum d'oxygène de la mer d'Arabie a révélé une communauté dynamique et diversifiée de microorganismes participant au cycle de l'azote, englobant l'oxydation aérobie de l'ammonium, l'anammox, l'oxydation aérobie du nitrite et le potentiel pour la DNRA. Ces résultats mettent en lumière le potentiel génétique pour un cycle de l'azote actif dans cet environnement unique et ont dévoilé des lignées de bactéries jusqu'alors négligées impliquées dans le cycle du carbone et de l'azote.

Référence:

1. Lüke, Claudia, et al. "Analyse métagénomique du cycle de l'azote et du méthane dans la zone de minimum d'oxygène de la mer d'Arabie." PeerJ 4 (2016) : e1924.