MICROCOMET

Réponse des microalgues côtières aux contraintes en éléments traces métalliques

Thierry Jauffrais
Heterocapsa sp. - © Thierry Jauffrais

 

Dans les écosystèmes côtiers, les microalgues en tant que producteurs primaires se situent à la base du fonctionnement des réseaux trophiques. Le projet MICROCOMET a pour ambition d’apporter des éléments clés pour la compréhension de l’impact des éléments traces métalliques (ETM) sur ces réseaux et répondre aux besoins de la thématique « l’eau, vecteur de toxiques (métaux lourds et amiantes) ». Les connaissances acquises permettront à la fois de mesurer la capacité des microalgues à se développer en présence de métaux et d’identifier les métabolites impliqués dans les mécanismes de bioaccumulation et de réponse au stress oxydatif.

La réponse des microalgues à la contrainte métallique est multiple et selon les espèces, des spéciations spécifiques peuvent mener au stockage des métaux dans les cellules des microalgues sous des formes biodisponibles. Certains métabolites ou groupes de métabolites pourraient ainsi servir d’indicateurs afin d’expliquer les différences d’assimilation des métaux observées chez les bivalves en fonction des espèces de microalgues impliquées.

Ces données aideraient à affiner les prévisions des modèles de bioaccumulation et les interprétations des enquêtes des programmes de biosurveillance.

 

 

Durée de projet 19 mois

Date de début projet
mai 2021
Date (estimée) de fin de projet
décembre 2022
Organisme porteur du projet
Porteur de projet
UNC

Responsable scientifique

Porteur du projet
Nicolas Lebouvier
Equipe de recherche / laboratoire

ISEA EA7484

:
290251
Partenaires associés

Les écosystèmes côtiers de Nouvelle-Calédonie sont des systèmes complexes, dont le fonctionnement est régi par des interactions multiples. L’industrie minière et l’urbanisation impactent ces habitats et augmentent les apports terrigènes, en particulier les métaux, par les rivières qui sont d'importants vecteurs de transport de sédiments et d’éléments dissous. De plus, l’érosion naturelle, soumise aux aléas climatiques, conduit à des apports de sédiments chargés en un certain nombre d’éléments traces métalliques provenant des massifs minéralisés vers les réseaux hydrographiques et les zones côtières. Ces apports métalliques sont indispensables à la production primaire et au fonctionnement des écosystèmes côtiers tropicaux, mais peuvent également être toxiques en cas d'excès. Cette contrainte métallique est aujourd’hui de plus en plus forte en raison des pressions anthropiques et il existe peu de données évaluant l’impact de ces apports terrigènes sur la réponse physiologique, métabolomique et génétique du phytoplancton.

 

Thierry Jauffrais
Heterocapsa sp. - © Thierry Jauffrais

Certains métaux sont essentiels à des concentrations nanomolaires dans les processus physiologiques tels que la photosynthèse et les défenses antioxydantes. Par exemple, le manganèse (Mn) et le fer (Fe) sont des éléments clés des photosystèmes. A forte concentration, les éléments métalliques peuvent cependant induire la production d’espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui vont oxyder les biomolécules telles que les protéines, lipides et acides nucléiques, provoquant ainsi un stress oxydatif et induisant également des dommages aux membranes cellulaires. Certaines microalgues possèdent de grandes capacités d'absorption de métaux. Le métal va être capté soit par bioadsorption à la surface des cellules, soit par bioaccumulation. Cette exposition peut également limiter la croissance et modifier la composition moléculaire (acides gras, composés phénoliques, caroténoïdes) afin de protéger les algues contre les ROS générées par les métaux grâce à l’activité antioxydante de ces molécules.

Les dinoflagellés du genre Heterocapsa sont capables de transférer les ETM dissous vers les organismes bivalves (huîtres et palourdes), permettant ainsi une bioaccumulation vers des compartiments trophiques supérieurs qui font l’objet d’une consommation par les populations locales. Il a été également démontré que le genre Heterocapsa était capable de se développer à de fortes concentrations en éléments traces métalliques. En Nouvelle-Calédonie, des espèces d’Heterocapsa ont été isolées lors de marées rouges dans des bassins de crevettes, et au niveau international, le genre est reconnu pour ses fortes efflorescences pouvant avoir un impact toxique, notamment chez les bivalves et les rotifères.

La limitation ou le stress induits par un excès en apports métalliques a une forte capacité à impacter la réponse physiologique et en particulier le métabolome des microalgues. Ces apports terrigènes en éléments métalliques sont naturellement présents dans les écosystèmes côtiers de Nouvelle-Calédonie et ont pu jouer un rôle évolutif déterminant chez certains groupes de microalgues. L'objectif du projet MICROCOMET est donc d'étudier l'influence de la contrainte métallique sur les mécanismes de diversification chimique et biologique du phytoplancton en ayant une approche multidisciplinaire. Des études comparatives couplant la physiologie, la métabolomique et la transcriptomique sur un même genre de dinoflagellé (Heterocapsa spp.) seront mises en place afin de mettre à jour les réponses physiologiques, métaboliques et géniques induites par un environnement contrasté en éléments traces métalliques et pouvant impacter les réseaux trophiques.

 

 

Vincent Mériot
Culture de microalgues en photobioreacteurs © Vincent Mériot

Une approche couplant l’écophysiologie, la métabolomique et la génomique sera développée dans le cadre de ce projet afin d’étudier l’effet d’un impact des ETM sur différentes souches d’Heterocapsa spp.

(i) Etudes écophysiologiques de l’influence de la concentration en métaux sur le métabolome, le stress oxydatif et la photophysiologie de différentes souches d’Heterocapsa spp. L’objectif ici est de caractériser le lien entre les concentrations de certains métaux, notamment en mélange de manière à se rapprocher des conditions environnementales, avec les réponses physiologiques du phytoplancton. Des suivis de croissance seront réalisés et couplés à des mesures de photophysiologie par PAM (Pulse-Amplitude-Modulated fluorimétrie) (Fv/Fm, RLC, NPQ) pour définir les effets de différentes concentrations en métaux sur les capacités photosynthétiques, de photoprotection des microalgues, ainsi que sur leur contenu élémentaire (CHN) et métallique.

(ii) Extraction, description du métabolome de différentes souches d’Heterocapsa spp. et construction de réseaux moléculaires. L’étude non ciblée du métabolome sera menée sur des systèmes de chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (LC-MS2). Cette étude sera complétée par des approches ciblées de certaines familles de métabolites qui seront analysées sur des systèmes de chromatographie en phase liquide UV-visible (pigments) et chromatographie gazeuse FID-MS (acides gras). Elle permettra d’identifier les métabolites les plus exprimés lors d’une contrainte métallique.

(iii) Etude couplée d’écophysiologie (i), de métabolomique (ii) et de transcriptomique lors d’une expérience en culture continue (eau de mer calédonienne et eau de mer « très » enrichie en Fe puis en un mélange d’ETM). La comparaison des transcriptomes issus d’une espèce d’Heterocapsa exposée à des environnements plus ou moins riche en métaux devrait permettre 1/ de mettre à jour les voies cellulaires impliquées dans la réponse au stress métallique et ainsi d’éventuellement corroborer les résultats tant d’écophysiologie que de métabolomique. 2/ de mettre potentiellement en évidence des voies d’acclimatation aux eaux riches en métaux.