Pour la sauvegarde des récifs coralliens

Pour survivre, le corail doit obtenir une partie importante de sa nourriture par les microalgues qui vivent en symbiose avec lui. Mais lorsque l’intensité lumineuse est trop importante ou en situation de stress thermique, l’algue absorbe une trop grande quantité d’énergie lumineuse par rapport à ce qu’elle peut utiliser. Des chercheurs de l’Université de Liège ont constaté que lorsque l’intensité lumineuse dépasse un certain seuil, une partie importante des électrons est dirigée vers l’oxygène au détriment du CO₂ ce qui conduit à la production de radicaux libres qui vont induire, via la mise en place de processus complexes, la mort cellulaire, la digestion ou l’expulsion des microalgues par le corail.

Des images quasi apocalyptiques de fonds sous-marins ressurgissent parfois dans les médias. Parmi elles, des coraux livides, plutôt qu’abondamment colorés.
Ces écosystèmes particulièrement riches souffrent en effet de nombreux maux : ils réagissent mal aux stress, comme l’augmentation de la température des eaux de surface, la pollution par les engrais et les pesticides, etc. « Les récifs coralliens reposent sur une symbiose entre un animal (appelé scléractiniaire et apparenté aux méduses et aux anémones de mer) et des microalgues communément appelées zooxanthelles», explique Stéphane Roberty, chercheur au Laboratoire d’Écophysiologie et de physiologie animale de l’Université de Liège.

On pourrait dire que les premiers offrent le gîte et les secondes le couvert, et se rendent mutuellement service. Pour que les coraux se portent bien, il faut que leur environnement soit relativement stable. Alors, l’union entre les zooxanthelles et les coraux se déroule à merveille : ces derniers proposent un abri, une source de nutriments, une exposition lumineuse adéquate ; en échange les premières fournissent de l’oxygène ainsi que les sucres et autres produits dérivés de la photosynthèse dont se nourrissent les coraux.

Une barrière protectrice

Comme ils produisent un exosquelette, les coraux récifaux peuvent former des structures tridimensionnelles robustes, visibles même depuis l’espace (Grande Barrière de corail, Australie) et abriter une biodiversité extrêmement importante ; non seulement ils s’avèrent essentiels pour les populations animales et végétales qu’ils abritent, mais également pour l’Humanité. « Les récifs coralliens offrent de nombreux services aux populations humaines côtières, précise le chercheur. Ils constituent une source importante de nourriture, de revenus et d’emplois. De plus, ils limitent l’érosion des plages et protègent les côtes lors de tempête, d’ouragans et de tsunami en réduisant la force des vagues. La mise à mal des récifs coralliens en Indonésie et en Thaïlande  peut avoir contribué à la catastrophe qu’ont connue les deux pays en décembre en 2004. » Car depuis 15 à 20 ans environ, on assiste à une dégradation des récifs un peu partout dans le monde, notamment à cause des activités humaines et de la pollution. Mais il n’y a pas que cela : les coraux subissent un phénomène de blanchissement qui peut être local ou global. En cause : la hausse de la température des eaux de surface. « Elle peut en effet être plus élevée localement, par exemple lors d’un été particulièrement chaud, ou toucher des zones géographiques bien plus vastes lorsque le phénomène El Niño entre en scène », poursuit Stéphane Roberty. Il précise à ce sujet que 1998 a été une année particulièrement stressante pour les coraux, vu les températures moyennes élevées. Et 2015 promet d’être tout aussi néfaste…

Un stress par le chaud

Stéphane Roberty s’est intéressé plus particulièrement au phénomène de blanchissement corallien. Il s’était déjà intéressé à ces organismes marins durant ses études : « J’ai trouvé ce sujet particulièrement fascinant, notamment par la symbiose qui existe entre les coraux et les microalgues qui l’habitent. Et puis j’ai appris que cette symbiose pouvait être perturbée par l’impact d’un stress sur la photosynthèse. Ce fut d’ailleurs le thème de mon mémoire de licence. C’est ainsi que j’ai travaillé pour la première fois avec le laboratoire de bioénergétique de Fabrice Franck, qui étudiait déjà l’effet de différents stress sur les microalgues ».

« Nous étudions en effet spécifiquement la photosynthèse des microalgues depuis plusieurs années », confirme ce dernier. « Avec Pierre Cardol (Laboratoire de Génétique et Physiologie des Microalgues), nous disposons d’un ensemble de techniques, unique en Belgique, qui nous permet d’étudier la photosynthèse de manière très approfondie. Il faut dire qu’il s’agit d’un sujet très complexe. Et donc, comme Stéphane était intéressé par les microalgues et avait une expérience certaine dans le domaine des coraux, cela nous a donné la possibilité d’étudier la symbiose entre les deux, avec des outils performants. »

Alors, pourquoi assiste-t-on à ce phénomène de blanchissement chez les coraux ? « Lorsque les coraux sont en situation de stress, comme lorsque la température des eaux de surfaces est élevée et que l’ensoleillement est trop important, on assiste à la mise en place de processus dont l’origine semble provenir des zooxanthelles », explique Stéphane Roberty. « Tous les indices récoltés jusqu’à maintenant par les équipes qui s’intéressent à ce problème à travers le monde indiquent que ce stress agit sur l’appareil photosynthétique des microalgues. Celui-ci produit alors des quantités excessives de radicaux libres qui vont induire, via la mise en place de processus complexes, la mort cellulaire, la digestion ou l’expulsion des zooxanthelles par le corail. Le corail perd alors la majeure partie de sa population de microalgues, ses tissus deviennent transparents, laissant ainsi apparaître son exosquelette blanc. Or, le corail doit obtenir une partie importante de sa nourriture par les microalgues symbiotiques qui, du fait de leur disparition, ne jouent plus ce rôle nourricier. Les sources d’alimentation des coraux ne reposent plus que sur leur consommation de zooplancton (qui n’est pas nécessairement présent en nombre dans les milieux tropicaux) et sur leurs réserves. Si le stress ne perdure pas dans le temps, les zooxanthelles restantes vont se multiplier et reformer une population comme à l’origine. Sinon, l’animal meurt, laissant comme unique trace son exosquelette qui sera rapidement colonisé par d’autres organismes. C’est ce à quoi nous assistons lors du blanchissement corallien. »

Photosynthèse en question

Sur ce phénomène, il n’est pas encore possible d’agir, car les mécanismes qui sous-tendent cette réaction à la chaleur n’ont pas encore été totalement révélés. Mais, comme l’explique Fabrice Franck, une des étapes menant au blanchissement des coraux a pu être identifiée récemment, ce qui a fait l’objet de la publication d’une étude par l’équipe liégeoise (1) : « En situation normale, la lumière provoque chez les organismes photosynthétiques, et donc chez les zooxanthelles, un transport d’électrons qui va de l’eau vers le CO₂. Lorsque l’intensité lumineuse est trop importante ou en situation de stress thermique, l’algue absorbe une trop grande quantité d’énergie lumineuse par rapport à ce qu’elle peut utiliser. Son appareil photosynthétique est alors soumis à un excédent d’énergie. Avec l’aide de Pierre Cardol, nous avons cherché à comprendre ce qu’il advenait de cette énergie. »

Les appareils utilisés classiquement  mesurent l’émission de fluorescence par la chlorophylle, ce qui donne des informations sur la vitesse du transport d’électrons. Mais ces appareils ne permettent pas de savoir où vont les électrons, ni comment ils se répartissent lorsque les algues sont en « surcharge énergétique ». « Grâce à un appareillage spécifique à disposition dans nos laboratoires, nous avons pu étudier plus en profondeur le fonctionnement de l’appareil photosynthétique chez les zooxanthelles. Et nous avons constaté que lorsque l’intensité lumineuse dépasse un certain seuil, une partie importante des électrons est dirigée vers l’oxygène au détriment du CO₂ (cette réaction est appelée réaction de Mehler), ce qui conduit à la production de radicaux libres. »

Mécanisme de défense

Fort heureusement, ces microalgues possèdent des mécanismes de défense qui permettent de réduire l’impact des radicaux libres. Mais se posent d’autres questions : ces capacités antioxydantes sont-elles insuffisantes, et la réaction de Mehler est-elle bien à l’origine du phénomène de blanchissement corallien ?

L’équipe s’est alors attelée (2) à déterminer quel pouvait être l’impact d’une température supérieure de 1 à 2°C au seuil de tolérance des zooxanthelles sur cette voie alternative de la photosynthèse. « Nous avons exposé nos zooxanthelles à des conditions de stress menant généralement au blanchissement corallien, répété les mesures réalisées précédemment et complété avec une analyse de la production de radicaux libres et des mécanismes de défense. Au final nous avons pu observer que la production de radicaux libres avait presque doublé dans ces conditions, et que les défenses antioxydantes étaient inactivées, au moins transitoirement. La voie alternative de transport d’électrons photosynthétique (la réaction de Mehler) semble donc être le point de départ des processus cellulaires menant à la perte des zooxanthelles chez le corail. »

Maintenant, toute la question est de savoir pourquoi cette voie est favorisée, quels sont les mécanismes en aval, pourquoi certaines espèces de coraux blanchissent alors que d’autres sont moins sensibles. La difficulté tient cependant à la variété d’espèces de zooxanthelles qui peuplent les coraux et à la nécessaire compréhension de ce qui se trame au sein du corail pour comprendre tous les mécanismes en jeu.

(1) Roberty S, Bailleul B, Berne N, Franck F, Cardol P (2014) PSI Mehler reaction is the main alternative photosynthetic electron pathway in Symbiodinium sp., symbiotic dinoflagellates of cnidarians. New Phytologist 204:81-91
(2) Roberty S, Fransolet D, Cardol P, Plumier JC, Franck F (2015) Imbalance between oxygen photoreduction and antioxidant capacities in Symbiodinium cells exposed to combined heat and high light stress. Coral Reefs:1-11