Les scientifiques ont retracé l’histoire de la colonisation de la zostère en utilisant les génomes nucléaires et chloroplastiques de 200 individus répartis sur 16 sites. Ils ont découvert que la zostère, une espèce clé pour le stockage du carbone et la biodiversité dans l’océan, a traversé le Pacifique en deux étapes de colonisation et a atteint l’Atlantique il y a environ 243 000 ans.
Une équipe de recherche internationale dirigée par GEOMAR reconstitue l’histoire de la colonisation mondiale de la plante marine la plus répandue.
Les herbiers marins sont issus de plantes d’eau douce et utilisent la lumière du soleil et le dioxyde de carbone (CO2) pour la photosynthèse. Elles sont capables de prospérer à des profondeurs allant jusqu’à 50 mètres (165 pieds). Contrairement aux algues, elles possèdent des racines et des rhizomes qui poussent dans les sédiments sablonneux ou vaseux. Les pousses de feuilles, qui ressemblent à de l’herbe, produisent des fleurs et accomplissent leur cycle de vie entièrement sous l’eau. Les graines ont une flottabilité négative, mais les pousses porteuses de graines peuvent flotter, ce qui augmente considérablement les distances de dispersion à l’échelle océanique.
En tant qu’espèce fondatrice, la zostère fournit des habitats essentiels en eaux peu profondes pour divers biotas et contribue à de nombreux services écosystémiques, y compris l’absorption du carbone. Les herbiers marins ont récemment été reconnus comme l’une des contributions cruciales de la nature au stockage du carbone dans les océans. Les sédiments situés sous les prairies d’herbes marines peuvent séquestrer chaque année 30 à 50 fois plus de carbone que les racines des forêts terrestres. Toutefois, la disparition continue des herbiers marins dans le monde entier, y compris des zostères, est très préoccupante.
Sommaire
Comprendre l’évolution de la zostère
Un groupe international de chercheurs coordonné par le professeur Thorsten Reusch, chef de la division de recherche sur l’écologie marine au Centre GEOMAR Helmholtz pour la recherche océanique de Kiel, a utilisé les génomes nucléaires et chloroplastiques complets de 200 individus et de 16 sites pour reconstruire et dater l’histoire de la colonisation de la zostère Zostera marina depuis son origine dans le nord-ouest de l’océan Pacifique jusqu’au Pacifique, à l’Atlantique et à la Méditerranée. Les résultats décrits dans une publication évaluée par des pairs et dans une note de recherche publiée le 20 juillet dans la revue scientifique Nature Plants soulèvent la question suivante : « Dans quelle mesure la zostère s’adaptera-t-elle à notre nouveau climat, qui change rapidement ?
En utilisant une approche phylogénomique, les scientifiques ont pu déterminer que les plantes de zostère ont d’abord traversé le Pacifique d’ouest en est au cours d’au moins deux événements de colonisation, probablement soutenus par le courant du Pacifique Nord. Les scientifiques ont ensuite appliqué deux « horloges moléculaires » à l’ADN – l’une basée sur le génome nucléaire et l’autre sur le génome chloroplastique – pour déduire le moment où les populations de zostères ont divergé vers de nouvelles populations. Le taux de mutation de l’ADN a été calculé et étalonné par rapport à une ancienne duplication du génome entier qui s’est produite dans la zostère.
Retracer les schémas de migration de la zostère marine
Les génomes nucléaires et chloroplastiques ont révélé que la zostère marine s’est dispersée dans l’Atlantique en passant par l’Arctique canadien il y a environ 243 000 ans. Cette arrivée est beaucoup plus récente que prévu – des milliers d’années au lieu de millions d’années, comme c’est le cas pour la plupart des espèces immigrées de l’Atlantique lors du Grand échange arctique, il y a environ 3,5 millions d’années.
Reusch explique : « Nous devons donc supposer qu’il n’y avait pas d’écosystèmes à base de zostères – points chauds de la biodiversité et du stockage du carbone – dans l’Atlantique avant cette période. La récence se reflète également dans une analyse de la communauté faunistique associée, qui présente beaucoup moins d’animaux spécialisés dans l’Atlantique que dans les prairies de zostères du Pacifique. Cela suggère qu’il y a eu moins de temps pour que la coévolution entre les animaux et les plantes se produise », a déclaré M. Reusch.
Les populations méditerranéennes sont nées de l’Atlantique il y a environ 44 000 ans et ont survécu au dernier maximum glaciaire. En revanche, les populations que l’on trouve aujourd’hui le long des côtes occidentales et orientales de l’Atlantique ne se sont (re)développées à partir de refuges qu’après le dernier maximum glaciaire, il y a environ 19 000 ans – et principalement à partir de la côte est américaine, avec l’aide du Gulf Stream.
Diversité génomique et préoccupations futures
En outre, les chercheurs ont confirmé des différences significatives dans la diversité génomique entre les populations de zostères du Pacifique et de l’Atlantique, y compris des gradients latitudinaux de diversité génétique réduite dans les populations septentrionales.
« Les populations de l’Atlantique comparées à celles du Pacifique, et celles du Nord comparées à celles du Sud, sont moins diversifiées au niveau génétique que leurs ancêtres, par un facteur de 35 entre la plus diversifiée et la moins diversifiée », a résumé le Dr Lei Yu, chercheur postdoctoral et premier auteur de la publication, qui constituait un chapitre de sa thèse de doctorat. « Cela est dû à des goulets d’étranglement résultant des périodes glaciaires passées, ce qui soulève des inquiétudes quant à la capacité de la zostère marine de l’Atlantique à s’adapter au changement climatique et à d’autres facteurs de stress environnementaux sur la base de sa capacité génétique. »
« Le réchauffement des océans a déjà provoqué des pertes de prairies marines aux limites méridionales de l’aire de répartition, en particulier en Caroline du Nord et au sud du Portugal. En outre, les vagues de chaleur ont également provoqué des pertes dans les eaux peu profondes de certaines parties septentrionales de l’aire de répartition », a noté M. Reusch. « Ce n’est pas une bonne nouvelle, car les prairies marines forment des écosystèmes diversifiés et productifs, et aucune autre espèce n’est en mesure de jouer le rôle de la zostère si les prairies ne peuvent pas persister dans les conditions futures. »
Solutions potentielles et recherches futures
« Une possibilité de restauration pourrait consister à emprunter une partie de la diversité génétique de la zostère du Pacifique pour renforcer la diversité dans l’Atlantique. Notre prochaine étape consistera à interroger le pangénome de la zostère. Un nouveau génome de référence de la zostère du Pacifique est en cours de développement et devrait nous en apprendre davantage sur la capacité d’adaptation écotypique dans l’ensemble de ses habitats », a déclaré le professeur Jeanine Olsen, professeur émérite de l’université de Groningue, qui a lancé l’étude et coordonné les travaux entre le Joint Genome Institute (JGI) et l’équipe de recherche. Le verdict sur l’adaptation rapide est donc connu, mais il y a des raisons d’être optimiste.
Référence : « Ocean current patterns drive the worldwide colonization of eelgrass (Zostera marina) » par Lei Yu, Marina Khachaturyan, Michael Matschiner, Adam Healey, Diane Bauer, Brenda Cameron, Mathieu Cusson, J. Emmett Duffy, F. Joel Fodrie, Diana Gill, Jane Grimwood, Masakazu Hori, Kevin Hovel, A. Randall Hughes, Marlene Jahnke, Jerry Jenkins, Keykhosrow Keymanesh, Claudia Kruschel, Sujan Mamidi, Damian M. Menning, Per-Olav Moksnes, Masahiro Nakaoka, Christa Pennacchio, Katrin Reiss, Francesca Rossi, Jennifer L. Ruesink, Stewart T. Schultz, Sandra Talbot, Richard Unsworth, David H. Ward, Tal Dagan, Jeremy Schmutz, Jonathan A. Eisen, John J. Stachowicz, Yves Van De Peer, Jeanine L. Olsen et Thorsten B. H. Reusch, 20 juillet 2023, Nature Plants.
DOI: 10.1038/s41477-023-01464-3