Le plancton livre ses secrets

Cela fait deux ans que l’expédition Tara Oceans(1) est terminée et les résultats scientifiques commencent à tomber. De 2009 à 2013, la goélette, vouée à l’observation des effets du changement climatique sur les océans, avait pour objectif d’échantillonner le plancton marin, transparent et invisible... partout sur la planète. À l’origine de l’oxygène de l’atmosphère, cet énorme écosystème gardait pourtant ses secrets.

« Les campagnes océanographiques coûtent très cher. Cette expédition, financée en partie par des mécènes(2), était donc une chance inouïe, explique Colomban de Vargas, chercheur à la Station biologique de Roscoff(3), au laboratoire Adaptation et diversité en milieu marin, investi dans l’aventure. Nous avons réussi à faire la même mesure pendant quatre ans sur 220 sites(4) différents et nous disposons maintenant d’une collection fabuleuse ! C’est la première fois qu’un écosystème est regardé de cette manière, non seulement à l’échelle planétaire, mais aussi en intégrant toutes les tailles et tous les types d’organismes : des virus extrêmement petits aux animaux de plusieurs centimètres. »

35000 échantillons rapportés

Le même protocole de collecte a été scrupuleusement reproduit pendant ces quatre années. Deux ingénieures sont restées à bord pendant la moitié de l’expédition pour assurer la continuité. Un travail de titan, assure Colomban de Vargas. Les prélèvements (trois jours sur chaque site) ont été effectués à trois profondeurs : dans les dix premiers mètres d’eau (zone dite du maximum profond de chlorophylle), dans la zone où la lumière du soleil pénètre et à 500 m de profondeur dans l’obscurité de la couche mésopélagique. 35000 échantillons ont été rapportés à terre et se trouvent aujourd’hui répartis entre les stations biologiques de Villefranche-sur-Mer (Alpes-Maritimes) et Roscoff, ainsi qu’au Genoscope (Évry, 91), le centre national de séquençage. Parmi eux, on trouve 25000 échantillons morphologiques dans lesquels les organismes ont été conservés en entier et 10000 échantillons génétiques, dans lesquels le plancton a été concentré, précipité pour en extraire l’ADN et l’ARN. Ce sont par eux que les chercheurs ont commencé. Le matériel génétique de chaque échantillon est décrypté grâce à des nouvelles méthodes de séquençage haut débit(5). Cette approche ne permet pas d’identifier les organismes individuellement, mais révèle l’ADN de tous ceux qui sont présents en même temps dans un échantillon donné. On parle de métagénome.

La classe moyenne du plancton

Les résultats des premières analyses ont été publiés dans un numéro spécial de la revue Science en mai dernier, comportant cinq articles en rapport avec Tara Oceans. Un résultat important a surpris les chercheurs : un pic de biodiversité est apparu dans la catégorie des organismes de tailles moyennes (compris entre 5 et 50 µm) qui sont essentiellement des eucaryotes (cellules avec un noyau). « Pendant longtemps, on a regardé soit les plus gros organismes du plancton animal (zooplancton), soit ceux qui absorbent la lumière (phytoplancton), car ils étaient faciles à voir à l’œil nu ou avec des microscopes à fluorescence, reprend Colomban de Vargas. Puis, dans les années 80, une nouvelle technique - la cytométrie en flux - a permis d’aller regarder les tout petits, virus, bactéries, pico-eucaryotes... On croyait que la diversité était là ! Aujourd’hui, l’analyse génétique s’applique de manière homogène à l’ensemble de l’échantillon, on touche tous les organismes présents et on découvre la classe moyenne du plancton ! » Cette classe moyenne, hyperdiversifiée, comporte avant tout des cellule eucaryotes - ou protistes - hétérotrophes, une part du vivant largement ignorée jusqu’à présent. Les chercheurs ont découvert une diversité insoupçonnée de parasites et de grosses cellules vivant en symbiose avec des microalgues. Phagotrophie, parasitisme, symbiose, la diversité des organismes du plancton marin semble liée aux interactions entre espèces. « Cela veut dire que les procédés de coévolution et de codiversification sont importants. C’est vraiment une vision nouvelle du monde planctonique. »

« On a atteint les limites du système ! »

Un autre résultat a impressionné la communauté scientifique : après le séquençage massif d’échantillons provenant de seulement 68 sites sur les 220, les chercheurs ont constaté qu’ils obtenaient toujours le même lot de séquences, représentant 40 millions de gènes microbiens. « Cela veut dire qu’on a réussi à récolter la quasi-totalité de ce qui existe en ce qui concerne les bactéries et tout petits eucaryotes. On a atteint les limites du système ! Je ne m’attendais pas à ça, s’étonne encore Colomban de Vargas. Cela révèle toute la puissance de la méthode de séquençage haut débit. »

Grâce à ces sept années d’effort continu, le plancton des couches supérieures de l’océan est aujourd’hui l’écosystème le mieux connu comparé aux autres que sont la forêt tropicale, les récifs coralliens ou le sol. Et il ne s’agit encore que d’une première vague de résultats : ce travail d’analyse postexpédition est financé jusqu’en 2019 par les Investissements d’avenir dans le cadre du projet Océanomics, dont Colomban de Vargas est le coordonnateur. Il reste encore à analyser tous les échantillons morphologiques. « Pour l’instant, on a des séquences d’ADN qui nous disent ce qui existe, mais souvent on ne sait pas de quoi il s’agit ! » Enfin, le plancton est un écosystème en réorganisation perpétuelle. Il évolue très vite, s’adapte et se reconstruit en fonction des conditions environnementales locales. Contenant l’ensemble des lignées du monde vivant, le plancton peut servir de modèle pour l’étude d’écosystèmes beaucoup plus complexes qui évoluent plus lentement, comme la forêt tropicale, par exemple.

Des kits de collecte à la mer !

Mais il faut aussi, surtout, continuer à faire des collectes pour comprendre comment il évolue au cours du temps, et notamment en fonction du changement climatique. Colomban de Vargas a déjà une idée sur la manière de procéder. Il y a entre 5000 et 10000 bateaux en permanence sur l’eau a l’échelle planétaire. Pourquoi ne pas les mettre à contribution ? Le chercheur et son équipe ont mis au point un kit de collecte du plancton ultrasimple, n’impliquant ni produits chimiques ni électricité. Vingt-cinq kits ont déjà été fabriqués et sont actuellement en mer dans le cadre d’un projet pilote visant à démontrer la puissance de cette nouvelle océanographie citoyenne. Affaire à suivre... L’aventure planctonique continue !