Une équipe du BIAM, en collaboration avec le Laboratoire de Chimie Bactérienne (LCB), propose un nouveau scénario pour l’origine des photosymbioses. Leurs travaux suggèrent que l’oxygène produit par la photosynthèse, et non les sucres, peut constituer l’avantage initial de ces associations qui ont profondément transformé la biosphère.
Les photosymbioses, ces associations intimes entre un organisme non photosynthétique et un partenaire capable de capter l’énergie lumineuse, sont a l’origine de la biosphère moderne. Algues, coraux et plantes, incluant les cultures agricoles, reposent sur cette capacité à produire du carbone organique à partir du dioxyde de carbone. 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 largement inconnus.
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 approche expérimentale originale. 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.
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 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 (ce que l’on appelle une exaptation). Cette hypothèse résonne avec l’histoire de la Terre : apparue il y a environ trois milliards d’années chez les bactéries, la photosynthèse oxygénique a d’abord créé une atmosphère hostile, avant de rendre possible le métabolisme aérobie et l’apparition de nouvelles formes de vie, comme les organismes multicellulaires.
Expérimenter l’évolution avec des technologies avancées
Au-delà de l’avancée conceptuelle, le travail repose sur un ensemble d’approches complémentaires combinant microbiologie, mesures de gaz dissous, cytométrie en flux, microscopie de fluorescence et reconstruction d’écosystèmes simplifiés en laboratoire. Cette réussite illustre l’importance de l’interdisciplinarité : l’expertise du BIAM sur l’écologie de la photosynthèse combinée aux capacités techniques du LCB pour la culture et l’analyse de microorganismes en conditions contrôlées a été déterminante pour concevoir et exploiter ce modèle expérimental.
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.
Mais pour les chercheurs, l’un des enseignements majeurs reste l’importance de la recherche fondamentale. Le projet est né d’une rencontre fortuite entre deux scientifiques, sur un sujet a priori éloigné, animés par une même curiosité : « comprendre et reconstruire, avec les outils contemporains, des événements cruciaux de l’histoire de la vie » s’enthousiasme le scientifique. Une démarche qui ouvre aujourd’hui de nouvelles pistes, tant pour explorer les milieux hypoxiques naturels que pour revisiter, sous un jour nouveau, les origines des plus anciennes alliances biologiques.
REFERENCES
Loïc QUEVAREC; Rachel BONNARDE, Christophe ROBAGLIA; Gaël BRASSEUR.
doi.org/10.1016/j.cub.2026.01.010