Il y a bientôt trois ans, nous avons embarqué pour un an à bord de bâtiments de la Marine nationale afin de participer au lancement de cette mission. Cette première année visait à étudier les écosystèmes planctoniques encore peu explorés dans le sud-ouest de l’océan Indien. Des côtes du Kenya aux Terres australes françaises, en passant par Madagascar, nous avons échantillonné une grande diversité d’environnements, des zones côtières jusqu’à l’océan ouvert.

Aujourd’hui doctorants, nous poursuivons nos recherches sur l’étude du plancton. Manon s’intéresse aux symbioses planctoniques et s’appuie notamment sur les données génomiques recueillies depuis le début de la mission Bougainville.

Dans cet article, nous présenterons tout d’abord l’intérêt des approches de métabarcoding pour l’étude de la diversité planctonique, avant d’exposer les premières descriptions scientifiques issus des données collectées par la mission Bougainville.

ADN et horloge moléculaire

Au début des années 1950, James Watson et Francis Crick, décrivent la structure tridimensionnelle en double hélice de l’ADN. Ils s’appuient notamment sur les travaux de Rosalind Franklin. Cette découverte fondatrice ouvre la voie à une nouvelle échelle d’étude du vivant, qui fut suivie d’avancées continues au cours des décennies suivantes.

En 1977, Carl Woese découvre qu’une partie du génome agit comme une “horloge moléculaire”. Présent chez tous les organismes d’un même grand groupe (par exemple les bactéries) et évoluant relativement lentement, ce gène conserve la trace de l’histoire évolutive des espèces. Cette découverte permet à Woese de révéler l’existence d’un troisième grand domaine du vivant : les archées. Jusqu’à cette époque, les biologistes tenaient pour acquis que toute vie sur Terre appartenait à l’une de deux grandes lignées : les eucaryotes (qui comprennent les animaux, les plantes, les champignons et certains organismes unicellulaires comme la paramécie) et les procaryotes (qui regroupent tous les autres organismes microscopiques). Woese découvre qu’il existe en réalité trois grandes lignées parmi les êtres vivants.

Ce concept d’horloge moléculaire est fondamental. En comparant les séquences de ce gène entre organismes, il devient possible de retracer leurs liens de parenté et de les positionner sur l’arbre du vivant. Cette découverte constitue l’un des fondements de la microbiologie moderne.

Le metabarcoding et la diversité planctonique

Ces fragments d’ADN permettent aussi d’identifier les organismes dont ils proviennent : on parle alors de « codes-barres moléculaires » (barcodes en franglais de laboratoire). Il suffit de récolter l’ADN présent dans l’environnement, de cibler ces courtes séquences et de les comparer à des bases de données de référence pour obtenir un aperçu de la diversité biologique présente.

On appelle cela le metabarcoding. On ajoute le préfixe “meta” à barcoding (identification des espèces grâce à une courte séquence d’ADN standardisée) parce qu’on applique cette technique non pas à un seul organisme, mais à un mélange d’organismes ou d’ADN environnemental contenu dans un échantillon (en l’occurrence pour la mission Bougainville de l’eau de mer filtrée).

L’utilisation de ces barcodes a profondément transformé notre vision du monde microbien. En effet, moins de 1 % des micro-organismes peuvent être cultivés en laboratoire. L’analyse directe de l’ADN environnemental a donc permis d’accéder à une immense biodiversité jusque-là invisible. En milieu marin, la campagne Tara Oceans a notamment révélé qu’environ 30 % de la diversité eucaryote observée n’était associée à aucun organisme connu. Autrement dit, une part considérable de la biodiversité marine reste encore à découvrir. Des programmes comme la mission Bougainville sont essentiels pour mieux comprendre cette diversité encore largement inexplorée.

JEDI, un barcode pour l’arbre du vivant

Cependant, le metabarcoding fait face à plusieurs défis techniques, liés au choix des barcodes moléculaires utilisés. Le nombre de copies du gène dans chaque cellule, la longueur de la séquence analysée ou encore la capacité à distinguer des espèces proches influencent fortement les résultats obtenus.

Au cours des dernières années, plusieurs barcodes de référence ont émergé. Chacun présente des avantages, mais aucun ne permettait jusqu’à récemment de couvrir l’ensemble du vivant, des bactéries aux animaux. Les analyses nécessitent donc l’utilisation de marqueurs différents selon les groupes étudiés.

Des travaux récents ont conduit au développement du barcode JEDI (Joint cellular life-Encompassing DIversity), conçu pour caractériser l’ensemble du spectre du vivant. C’est ce marqueur que nous utilisons dans la mission Bougainville afin d’explorer l’ensemble du spectre de la diversité biologique présente dans les échantillons collectés.

Références :

de Vargas, C., Audic, S., Henry, N., Decelle, J., Mahé, F., Logares, R., Lara, E., Berney, C., Le Bescot, N., Probert, I., Carmichael, M., Poulain, J., Romac, S., Colin, S., Aury, J.-M., Bittner, L., Chaffron, S., Dunthorn, M., Engelen, S., … Karsenti, E. (2015). Eukaryotic plankton diversity in the sunlit ocean. Science, 348(6237), 1261605

Priest, T., Henry, N., Weber, T., Planat, L., Rousseau, C., Dittami, S. M., Yeh, Y.-C., Needham, D. M., Ruscheweyh, H.-J., Rigaut-Jalabert, F., Simon, N., Romac, S., Gall, F. L., Beavis, T., Moog, K., Moussy, A., Silva, C. D., Belser, C., Team, E., … Vargas, C. de. (2025). The JEDI marker as a universal measure of planetary biodiversity (p. 2025.08.11.669668)

Woese, C. R., & Fox, G. E. (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 74(11), 5088–5090

Mission Bougainville : les premières analyses de metabarcoding

Lors de la première promotion de Volontaires Officiers Aspirants (VOA), 231 échantillons d’ADN (Figure 1) ont été collectés et filtrés selon deux fractions de taille : supérieure à 20 microns et supérieure à 50 microns. Le séquençage, réalisé avec le marqueur universel JEDI (V4V5 rDNA), a permis de cibler les trois domaines du vivant les Bactéries, les Archées, et les Eucaryotes ainsi que les chloroplastes eucaryotes qui permettent de capter l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

Structure des communautés identifiées

Les analyses révèlent que les communautés sont dominées par les familles suivantes (Figure 2) :

• Le zooplancton est largement dominé par les Maxillopodes (principalement des copépodes), les Hydrozoa, ainsi que les radiolaires coloniaux Collosphaeridae et Sphaerozoidae (Figure 3).
• Le phytoplancton est représenté par les Diatomées avec une présence marquée des familles Chaetocerotaceae et Rhizosoleniaceae.

●      Les bactéries sont représentées par les Phormidiaceae (cyanobactéries photosynthétiques), les Balneolaceae et les Pseudoalteromonadaceae (bactéries hétérotrophes).

Robustesse de l’échantillonnage

Afin de quantifier la biodiversité au sein de nos zones d’études, nous nous sommes appuyés sur l’indice de Shannon qui prend en compte à la fois le nombre d’espèces différentes (la richesse), ainsi que leur abondance (la répartition). Si l’indice est faible, la communauté est dominée par quelques espèces dominantes, alors que si l’indice est élevé, les communautés sont composées de nombreuses espèces, réparties équitablement.  Cette analyse met en évidence une forte variation de la richesse spécifique entre les stations d’observation, traduisant une importante hétérogénéité des communautés observées (Figure 4).

Enfin, les courbes de raréfaction du nombre d’ASV (Amplicon Sequence Variants : correspondant à une séquence unique) détectés par nouvel échantillon atteignent un plateau pour chaque domaine. Ce résultat confirme la saturation du séquençage et montre l’efficacité de la méthode d’échantillonnage, qui a permis de capturer de manière exhaustive la biodiversité présente (Figure 5).

Conclusion :

Ces premiers résultats prometteurs confirment l’intérêt scientifique de la mission Bougainville. D’un point de vue méthodologique, la saturation des courbes de raréfactions nous indique que le plan d’échantillonnage, associé aux méthodes moléculaires choisies, permet de caractériser de manière exhaustive la diversité planctonique de la zone. Les variations de richesse spécifique observées entre les sites reflètent quant à elles la diversité des environnements couverts, des milieux côtiers et insulaires jusqu’à l’océan ouvert.

Au-delà de ces premiers résultats, la mission Bougainville se distingue par son caractère unique. En s’appuyant sur les moyens de la Marine nationale, elle permet d’échantillonner de manière répétée des régions vastes et peu étudiées, selon une couverture spatiale et temporelle sans équivalent. Malgré les progrès considérables de l’observation satellitaire, les satellites ne fournissent qu’une vision de la surface de l’océan et ne peuvent accéder à la richesse taxonomique et fonctionnelle des communautés planctoniques. Seules des observations directes, associées aux outils moléculaires comme JEDI, permettent de révéler cette diversité et d’en suivre les évolutions.

La poursuite de cette mission au cours des prochaines années constitue ainsi une ressource scientifique de grande valeur. L’accumulation de séries temporelles permettra d’établir des indicateurs robustes de la variabilité naturelle des communautés planctoniques, à l’échelle des saisons, des gradients entre zones côtières et océaniques. A long terme, ces observations contribueront à enrichir notre compréhension de l’écologie du plancton dans les milieux subtropicaux et à documenter les effets des changements climatiques sur les communautés planctoniques.

Manon Thueux et Thomas Finet