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May 30, 2023

L'analyse longitudinale des sources chaudes des Cinq Sœurs dans le parc national de Yellowstone révèle un environnement thermoalcalin dynamique

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 18707 (2022) Citer cet article 1369 Accès 2 Détails Altmetric Metrics Des recherches axées sur les populations microbiennes des sources thermoalcalines ont été

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18707 (2022) Citer cet article

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La recherche axée sur les populations microbiennes des sources thermoalcalines a été motivée en grande partie par l’attrait de la découverte d’enzymes fonctionnelles ayant des applications industrielles dans des environnements à pH élevé et à haute température. Alors que plusieurs études se sont concentrées sur la compréhension de l’écologie fondamentale de ces sources, les profils de petites molécules des sources thermoalcalines ont été largement négligés. Pour mieux comprendre les liens entre la géochimie, la composition des petites molécules et les communautés microbiennes, nous avons mené une étude de trois ans sur les sources des Cinq Sœurs (FS) qui comprenait des mesures géochimiques à haute résolution, le séquençage de l'ARNr 16S de la communauté bactérienne et archéenne, et caractérisation des métabolites et des petites molécules extracellulaires par spectrométrie de masse. L'intégration des quatre ensembles de données a facilité une analyse complète du système de ressorts thermoalcalins entrelacés. Au cours de l’étude, la population microbienne a réagi aux conditions environnementales changeantes, les populations d’archées diminuant à la fois en abondance relative et en diversité par rapport aux populations bactériennes. Les diminutions de l'abondance relative des archées étaient associées à des changements environnementaux qui comprenaient une diminution de la disponibilité de petites molécules extracellulaires spécifiques contenant de l'azote et du soufre et des fluctuations des voies métaboliques associées au cycle de l'azote. Cette analyse multifactorielle démontre que la composition de la communauté microbienne est plus étroitement corrélée aux pools de petites molécules extracellulaires qu'à la géochimie des sources thermales. Il s’agit d’une découverte nouvelle qui suggère qu’un composant des sources thermales jusqu’alors négligé pourrait avoir un impact significatif sur la composition de la communauté microbienne.

Les sources thermoalcalines sont des environnements uniques d’importance biologique et industrielle. Les applications commerciales de ces systèmes sont bien documentées et les efforts actuels de bioprospection thermoalcaline sont vastes1. Un exemple réussi est la commercialisation d’une suite d’enzymes thermostables, notamment des enzymes lipolytiques et hydrolytiques2,3. Le développement d’enzymes cellulolytiques thermostables capables de convertir la biomasse lignocellulosique en sucres et, à terme, en éthanol dans des conditions industrielles4 est particulièrement intéressant. Le potentiel de développement d’enzymes thermostables et au pH stables pour des applications commerciales et l’intérêt pour l’écologie de ces systèmes ont conduit à une accumulation de données phylogénétiques géochimiques et microbiennes5,6,7,8.

Parallèlement aux efforts de bioprospection, l’écologie thermoalcaline a également motivé les recherches. Grâce à ces travaux, il a été démontré que la température est un facteur important de la diversité microbienne, l'augmentation des températures printanières se traduisant par une diminution de la diversité microbienne9,10,11. Les augmentations de température ont également été associées à une augmentation de l’abondance et de la diversité des archées11,12. Il a été démontré que les thermophiles tolèrent une large gamme de pH10,13. Il a également été démontré que le pH est un facteur important d’abondance et de diversité dans les environnements thermiques, les sources circumneutres et alcalines abritant des populations microbiennes plus diversifiées13,14. Cependant, ces deux facteurs n’expliquent pas à eux seuls complètement le rassemblement des populations microbiennes dans les systèmes thermiques15. Il a été démontré que les sources thermoalcalines contiennent un large éventail de bactéries et d'archées, plusieurs clades communs résidant dans des sources avec une géochimie et une situation géographique variables9,16. Les microbes prédominants dans les sources décrites comprennent les Chloroflexi, Deinococcus, Nitrospiral, Cyanobacteria, Proteobacteria, Thermodesulfobacteria, Aquificae, Thermotague, Thermococcales et Crenarchaeota9,14,16,17.

Malgré un intérêt et des recherches accrus pour ces systèmes, des lacunes dans les connaissances demeurent2. Par exemple, la dynamique temporelle des populations microbiennes thermoalcalines sur plusieurs années a rarement été étudiée17,18,19 et, à notre connaissance, aucune analyse combinant le métabolome microbien avec le métabolome intracellulaire et la composition extracellulaire des petites molécules n'a été réalisée. Cela est particulièrement vrai pour l’échantillonnage hivernal des sources chaudes du YNP où l’accès est limité. Les défis associés à l’augmentation des connaissances sur les sources thermoalcalines comprennent la culture microbienne. Pour confirmer le potentiel métabolique spécifique et les contributions écologiques de microbes individuels, des isolats en culture sont souvent nécessaires. Les environnements extrêmes comme les sources thermoalcalines ont présenté des défis aux efforts d’isolement lors de l’utilisation de pratiques de culture traditionnelles, en particulier en ce qui concerne les Archées16,20. L’acquisition d’une compréhension extracellulaire et intracellulaire des environnements thermoalcalins a de vastes implications, notamment l’amélioration des efforts de culture en fournissant un aperçu des petites molécules environnementales et des réseaux métaboliques.