​Les photosymbioses, ces associations intimes entre un organisme non photosynthétique et un partenaire capable de capter l'énergie lumineuse, sont à l'origine de la biosphère moderne. Algues, coraux et plantes, reposent sur cette capacité à produire du carbone organique à partir du CO₂. Jusqu'ici, la fourniture de sucres photosynthétiques était considérée comme la clé de voûte de ces relations. Pourtant, les mécanismes évolutifs qui ont permis l'installation durable d'un organisme photosynthétique à l'intérieur d'un autre demeuraient méconnus.

Remonter aux premières étapes de​ la symbiose

Pour explorer ces événements qui se sont produits dans le passé, mais qui évoluent encore aujourd'hui, les chercheurs ont développé une nouvelle approche expérimentale. Ils ont mis en présence un microorganisme eucaryote prédateur, le cilié Tetrahymena thermophila, avec des proies photosynthétiques, cyanobactéries ou microalgues chlorelles. Ce système a permis de reconstruire en temps réel des interactions cellulaires susceptibles de mimer les premières étapes de la photosymbiose.

Des cellules de Tetrahymena thermophila ont phagocyté des algues unicellulaires photosynthétiques, Chlorella variabilis, visibles en vert ici et en rouge plus bas en microscopie de fluorescence grâce à la chlorophylle. Chaque cellule peut en englober jusqu'à 40, fournissant assez d'oxygène pour survivre en milieu hypoxique.

L'oxygène, moteur évolutif inattendu

Le résultat central de l'étude bouscule les idées reçues : « en conditions hypoxiques, fréquentes dans les milieux aquatiques peu profonds et riches en matière organique [environnements qui pourraient avoir favorisé l'émergence des premiers photosymbioses], la présence de proies photosynthétiques améliore significativement la survie du prédateur », explique Christophe Robaglia, professeur au BIAM (CEA, CNRS, Aix-Marseille Université)​ et coauteur de l'étude. « Cette protection ne repose pas sur l'apport de sucres, mais sur la production locale d'oxygène par la photosynthèse* » pointe-il. « Par ailleurs, dans un milieu pauvre en carbone mais bien oxygéné, nous n'observons pas, ou très peu, d'avantage immédiat conféré au prédateur par les métabolites carbonés produits par les proies photosynthétiques ».

Ces observations suggèrent que l'oxygène photosynthétique peut constituer une force sélective déterminante dans l'évolution des photosymbioses, la fourniture de carbone étant progressivement sélectionnée comme un avantage supplémentaire au cours de l'évolution.

Applications futures jusqu'aux environnements extrêmes​

À plus long terme, ce modèle pourrait servir de base à l'identification des mécanismes cellulaires et moléculaires permettant l'installation stable d'un symbionte photosynthétique à l'intérieur d'une cellule hôte. Des applications encore spéculatives sont envisagées, de la biologie synthétique à la conception d'organismes capables de produire localement de l'oxygène, voire à des scénarios de colonisation d'environnements extraterrestres hostiles.

*La photosynthèse désigne le processus par lequel les végétaux (plantes, algues) et certaines bactéries, sous l'effet de l'énergie lumineuse du soleil, transforment l'eau et le gaz carbonique (CO₂) en molécules biologiques.