100 génomes pour mieux comprendre l’extraordinaire diversité des diatomées

Présentes dans les océans, les eaux douces, l’atmosphère, la neige et de nombreux milieux humides, des végétaux aux sols, les diatomées colonisent une grande diversité d’environnements et jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des écosystèmes. Ces microalgues contribuent notamment à environ 20% de la fixation annuelle mondiale du carbone. Pourtant, seule une fraction de cette diversité était jusqu’à présent représentée dans les ressources génomiques disponibles.

Le 100DGP entend combler cette lacune en caractérisant une centaine d’espèces représentant une grande diversité de lignées évolutives, de modes de vie et d’environnements. Une équipe de recherche de l'Unité en Sciences Biologiques et Biotechnologies (US2B - Nantes Université) dirigée par Leïla Tirichine, participe à cette initiative internationale. Sa contribution s’inscrit dans cet effort collectif visant à mieux comprendre la diversité génétique, l’évolution et les capacités d’adaptation de ces organismes essentiels.
 

Une diversité génétique exceptionnelle

Le projet dépasse l’étude des quelques espèces modèles traditionnellement utilisées en laboratoire. Le séquençage, réalisé notamment par le Joint Genome Institute (JGI), s’appuie sur des technologies de pointe comme PacBio HiFi, Nanopore et Illumina. Il permet de produire des génomes de haute qualité, complétés par des transcriptomes nécessaires à leur annotation. Les premières analyses révèlent déjà l’ampleur de la diversité génétique des diatomées. La comparaison de 22 génomes montre que moins de 3% des familles de gènes sont communes à l’ensemble des espèces étudiées, tandis qu’environ 32% des gènes sont conservés entre ces espèces. Une grande partie du patrimoine génétique est donc spécifique à certaines lignées ou espèces.

Ces résultats indiquent que le pangenome des diatomées est ouvert, puisqu’à mesure que de nouveaux génomes sont séquencés, de nouvelles familles de gènes continuent d’être découvertes. Les projections du projet suggèrent que leur nombre pourrait atteindre environ 40 000. Cette richesse génétique pourrait contribuer à expliquer la capacité remarquable des diatomées à s’adapter à des environnements très différents et à développer des caractéristiques spécifiques au cours de leur évolution.
 

Du génome aux fonctions biologiques

L’ambition du 100DGP ne se limite cependant pas au séquençage. Le projet associe génomique, transcriptomique, imagerie à très haute résolution et phénotypage à haut débit afin de relier les variations observées dans les génomes à des caractéristiques biologiques mesurables. Les chercheurs étudient notamment des fonctions essentielles comme la photosynthèse, l’acquisition du carbone, l’utilisation des nutriments ou encore la division cellulaire. Des expériences menées dans différentes conditions environnementales permettront également de mieux comprendre la plasticité des espèces et leur capacité d’adaptation.
 

Une ressource pour la recherche et la biotechnologie

Les données produites dans le cadre du 100DGP sont mises à disposition de la communauté scientifique selon les principes FAIR (Findable, Accessible, Interoperable and Reusable). Elles constituent une ressource majeure pour identifier de nouveaux gènes et de nouvelles fonctions biologiques, mais aussi pour mieux comprendre les mécanismes d’adaptation des diatomées. À plus long terme, cette diversité génomique pourrait également ouvrir de nouvelles perspectives en biotechnologie, notamment dans la bio-ingénierie, la découverte de molécules d’intérêt ou l’optimisation de bioprocédés.

La publication des premiers résultats du 100DGP marque ainsi une étape importante dans l’étude des diatomées. En réunissant des données génomiques sur une diversité d’espèces sans précédent, ce projet international fournit de nouvelles clés pour comprendre l’évolution de ces microalgues et leur capacité à s’adapter aux changements de leur environnement. La contribution de l’équipe nantaise participe pleinement à cette dynamique scientifique internationale.

      

Figure 1 (à gauche). Exemples d’espèces sélectionnées dans le cadre du projet des 100 génomes de diatomées et de leurs relations phylogénétiques.

Figure 2 (à droite). Caractérisation des diatomées séquencées : à gauche, morphologie cellulaire observée en microscopie optique ; à droite : distribution à l’échelle nanométrique des complexes moléculaires (par exemple, le cytosquelette et le photosystème II) grâce à la microscopie d’expansion.