Bien qu’un concept fondateur de l’écologie suggère que l’environnement physique détermine où les organismes peuvent survivre, les scientifiques modernes soupçonnent qu’il y a plus derrière l’histoire de la formation des communautés microbiennes dans le sol.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont déterminé, à la fois par analyse statistique et par des expériences, que le pH du sol est un facteur déterminant de la composition de la communauté microbienne, mais que la nécessité de traiter la toxicité libérée pendant le cycle de l’azote façonne en fin de compte la communauté microbienne finale.
L'environnement physique affecte la nature des interactions microbiennes, et cela affecte l'assemblage de la communauté. Les gens sur le terrain comprenaient que ces deux choses devaient être importantes à un certain niveau, mais il n'y avait pas beaucoup de preuves pour le confirmer. Nous ajoutons une certaine spécificité et des mécanismes à cette idée.
Karna Gowda, co-auteur principal, professeur adjoint de microbiologie, Université d'État de l'Ohio
Ces travaux contribuent à clarifier les fondements microbiens du cycle global de l’azote et pourraient fournir une nouvelle façon de penser aux émissions d’oxyde nitrique, un puissant gaz à effet de serre, a déclaré Gowda.
La recherche a été publiée récemment dans Microbiologie de la nature.
Les microbes maintiennent le sol en bonne santé et productif en recyclant les nutriments et jouent un rôle particulièrement important dans la conversion de l'azote en formes utilisables par les plantes. Les organismes souterrains vivant dans le même environnement sont également étroitement interconnectés, se nourrissant les uns les autres, participant aux échanges chimiques et procurant des avantages à la communauté.
Pour ce travail, Gowda et ses collègues ont utilisé un ensemble de données provenant d'une collection mondiale d'échantillons de terre végétale, séquençant les génomes des microbes présents dans les échantillons et analysant les caractéristiques importantes du sol, telles que la teneur en azote et en carbone et le pH, une mesure de l'acidité du sol.
« Nous voulions examiner les tendances qui étaient répandues et qui se manifestaient à travers la planète dans des environnements très différents », a déclaré Gowda.
Avec des milliards de bactéries présentes dans un échantillon de sol, les chercheurs se sont appuyés sur la composition génétique des communautés microbiennes pour déterminer leurs rôles fonctionnels.
L'équipe s'est concentrée sur les gènes qui ont permis d'identifier les bactéries impliquées dans la dénitrification, c'est-à-dire la conversion des composés azotés des formes biodisponibles en protoxyde d'azote et en gaz diazote libérés dans l'atmosphère. Une analyse bioinformatique a montré que le pH du sol était le facteur environnemental le plus important associé à l'abondance de ces organismes.
Pour tester ces résultats statistiques, les chercheurs ont mené des expériences d’enrichissement en laboratoire, en faisant passer une communauté microbienne naturelle dans différentes conditions de croissance.
Lors de la dénitrification, des enzymes spécifiques jouent un rôle dans la conversion du nitrate en divers composés azotés. L'une de ces formes, le nitrite, est plus toxique dans un sol acide (pH faible) que dans des conditions neutres à pH plus élevé.
Les expériences ont montré que les souches contenant des enzymes appelées Nar, liées à la création de nitrites toxiques, et les souches contenant des enzymes appelées Nap, liées à la consommation de nitrites, fluctuaient en fonction de l'acidité du sol.
« Nous avons trouvé plus de Nar à faible pH et moins de Nap, et vice versa lorsque le pH du sol se rapprochait de la neutralité », a déclaré Gowda. « Nous observons donc deux types d'organismes différents prévalant à un pH acide ou neutre, mais nous constatons également que cela n'explique pas vraiment ce qui se passe. Ce n'est pas seulement l'environnement qui détermine qui est présent, c'est en fait l'environnement et les interactions entre d'autres organismes de la communauté.
« Cela signifie que le pH affecte l'interaction entre les organismes de la communauté d'une manière plus ou moins constante – il s'agit toujours de la toxicité du nitrite. Et cela met en évidence la façon dont différentes bactéries travaillent ensemble pour prospérer dans différents niveaux de pH du sol. »
Cette découverte est nouvelle et importante, a déclaré Gowda. On sait que les bactéries et autres micro-organismes sont animés par une volonté de survie, mais ils dépendent également les uns des autres pour rester en sécurité – et cette coopération a des implications pour la santé environnementale, suggère l’étude.
« Bien que les effets de la condition physique individuelle jouent clairement un rôle dans la définition des modèles dans de nombreux contextes, les interactions sont probablement essentielles pour expliquer les modèles dans une variété d'autres contextes », ont écrit les auteurs.
Comprendre comment les interactions et l’environnement affectent les émissions d’oxyde nitreux pourrait apporter de nouvelles perspectives pour réduire ce puissant gaz à effet de serre, a déclaré Gowda : « Les bactéries dénitrifiantes sont des sources et des puits clés d’oxyde nitreux dans les sols agricoles. Alors que les études passées se sont concentrées sur le comportement de ces organismes émettant de l’oxyde nitreux dans différentes conditions de pH, l’examen de leurs interactions écologiques pourrait offrir de nouvelles stratégies pour réduire les émissions. »
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, l'Université de Chicago, le National Institute of General Medical Sciences, une bourse postdoctorale de la Fondation James S. McDonnell et une bourse Fannie et John Hertz.
Les co-auteurs incluent Seppe Kuehn, Kyle Crocker, Kiseok Keith Lee, Milena Chakraverti-Wuerthwein et Zeqian Li de l'Université de Chicago ; Mikhail Tikhonov de l'Université de Washington à Saint-Louis ; et Madhav Mani de l'Université Northwestern.
