Le phytoplancton marin joue un rôle fondamental dans les cycles biogéochimiques globaux et la production primaire des océans. Ces organismes microscopiques sont exposés à des variations quotidiennes et saisonnières de lumière qui dépendent fortement de la latitude. Chez les plantes terrestres, l'adaptation à ces cycles repose sur des mécanismes bien caractérisés de photopériodisme et d'horloge circadienne. En revanche, la manière dont les picoalgues marines perçoivent et intègrent ces signaux lumineux restait largement inexplorée.
Dans cette étude, les auteurs se sont intéressés à plusieurs espèces de picoalgues vertes de l'ordre des Mamiellales (Ostreococcus, Bathycoccus et Micromonas), largement distribuées dans les océans du globe. À partir de l'analyse comparative de leurs génomes, ils montrent que ces espèces partagent un ensemble commun de gènes impliqués dans l'horloge circadienne et la perception de la lumière, suggérant l'existence d'un socle moléculaire apparu précocement au cours de leur évolution. Toutefois, ce socle commun est modulé par de nombreux événements de duplication, de perte ou de remaniement de gènes, qui diffèrent selon les lignées.
Les analyses phylogénétiques mettent en évidence une forte diversification des photorécepteurs, en particulier chez le genre Micromonas, ainsi qu'une grande variabilité des protéines à domaine CCT, une famille clé impliquée dans la régulation circadienne et le photopériodisme chez les plantes. Un résultat marquant concerne la protéine TOC1, composant central de l'horloge circadienne chez Ostreococcus tauri. Les auteurs montrent que TOC1 est soit absent, soit fortement tronqué chez certaines espèces tropicales, notamment Ostreococcus sp. RCC809.
Pour évaluer les conséquences fonctionnelles de cette divergence, des approches expérimentales basées sur des lignées rapporteurs luciférase ont été mises en œuvre. Elles révèlent que, chez la souche tropicale Ostreococcus sp. RCC809, l'oscillateur circadien TOC1/CCA1 n'est plus fonctionnel, contrairement aux espèces de latitudes tempérées. Ces observations suggèrent que certains mécanismes circadiens centraux peuvent devenir dispensables dans des environnements où la durée du jour varie peu au cours de l'année.
Représentation schématique du système d’horloge circadienne chez O. tauri, illustrant les principaux composants de l’entrée lumineuse, l’oscillateur et les voies de sortie putatives
L'exploitation de données métagénomiques et métatranscriptomiques issues des expéditions Tara Oceans confirme que la distribution géographique des espèces et l'expression de leurs gènes circadiens sont étroitement liées aux conditions environnementales. Les auteurs proposent ainsi que les picoalgues des hautes latitudes, soumises à de fortes variations saisonnières de photopériode, conservent des horloges circadiennes robustes, tandis que celles des régions tropicales peuvent s'en affranchir partiellement.
Cette étude met en lumière une remarquable plasticité des mécanismes de mesure du temps chez les picoalgues marines et fournit un cadre évolutif pour comprendre comment ces organismes s'adaptent aux gradients lumineux à l'échelle planétaire.
Contact : Olivier Jaillon ; Janaina Rigonato