6.2 Outils d'étude des communautés microbiennes
Les nouvelles technologies permettant d’étudier comment les communautés microbiennes évoluent au fil du temps et quels groupes d’organismes prédominent dans des conditions environnementales particulières offrent de plus en plus l’occasion d’anticiper les effets négatifs au sein des composantes du système et, partant, de concevoir de meilleurs capteurs et tests pour la surveillance efficace des communautés microbiennes dans les cultures de poissons ou de plantes. Par exemple, diverses technologies « omiques » — métagénomique, métatranscriptomique, protéomique communautaire, métabolomique — permettent de plus en plus aux chercheurs d’étudier la diversité du microbiote dans les systèmes RAS, biofiltres, hydroponique et digestor des boues où l’échantillonnage comprend des assemblages microbiens entiers au lieu de un génome donné. L’analyse de la diversité procaryotique en particulier a été grandement aidée ces dernières décennies par les techniques métagénomiques et métatranscriptomiques. En particulier, l’amplification et l’analyse séquentielle du gène de l’ARNr 16S, basée sur la conservation intraspécifique des séquences de gènes neutres flanquant les opérons ribosomiques dans l’ADN bactérien, ont été considérées comme la « norme d’or » pour la classification taxonomique et l’identification des espèces bactériennes. Ces données sont également utilisées en microbiologie pour suivre les épidémies et les distributions géographiques et étudier les populations bactériennes et les phylogénies (Bouchet et al., 2008). La méthodologie peut être à forte intensité de main-d’œuvre et coûteuse, mais les systèmes automatisés récents, bien qu’ils ne soient pas nécessairement discriminatoires au niveau de l’espèce et de la souche, offrent des possibilités d’application en milieu aquaponique (Schmautz et al., 2017). Des examens récents résument les demandes d’ARNr 16S en ce qui concerne le RAS (Martínez-Porchas et Vargas-Albores 2017 ; Munguia-Fragozo et al. 2015 ; Rurangwa et Verdegem 2015). Les progrès de la métagénomique de microbes autres que les bactéries présentes dans la RAS et l’hydroponie reposent sur des méthodologies similaires, mais utilisent des lignées 18S (eucaryotes), 26S (champignons) et 16S en combinaison avec des bibliothèques de clones d’ARNr 26S (levures) pour caractériser ces microbiotes (Martínez-Porchas et VargasAlbores, 2017). Des bibliothèques détaillées d’ARNr, par exemple, ont également été utilisées en hydroponie pour caractériser les communautés microbiennes de la rhizosphère (Oburger et Schmidt, 2016). Ces bibliothèques peuvent être particulièrement utiles en aquaponie, étant donné qu’elles peuvent examiner l’assemblage de micro-organismes tels que les bactéries, les archées, les protozoaires et les champignons et fournir une rétroaction sur les changements au sein du système.
La mise au point d’un séquençage automatisé de nouvelle génération (SNG) a également permis d’analyser des données sur des génomes provenant d’échantillons de population (métagénomique) qui peuvent être utilisées pour caractériser le microbiote, révéler des changements phylogénétiques temporels et spatiaux et tracer des pathogènes. Les applications dans le RAS comprennent le suivi de certaines souches bactériennes parmi les poissons d’élevage et l’élimination des populations qui portent des souches virulentes, tout en préservant les porteurs d’autres souches (revue : (Bayliss et al., 2017). Les approches métagénomiques peuvent être indépendantes de la culture et de l’amplification, ce qui permet aux espèces jusque-là incultivables d’être connues et étudiées pour leurs effets possibles (Martínez-Porchas et Vargas-Albores 2017). Les techniques de séquençage de nouvelle génération sont couramment utilisées en microbiologie végétale ainsi que les analyses métatranscriptomiques de suivi. Un excellent exemple est la première étude sur les communautés microbiennes de la rhizosphère sur des plantes entières, dans laquelle il a été démontré que les exsudats racinaires étaient en corrélation avec les stades de développement (Knief, 2014).
La protéomique est particulièrement utile lors de l’étude d’une espèce ou d’une souche bactérienne particulière dans des conditions environnementales spécifiques afin de décrire sa pathogénicité ou son rôle possible dans la symbiose. Néanmoins, des progrès en protéomique communautaire s’appuient sur des études métagénomiques antérieures et utilisent diverses techniques biochimiques pour identifier, par exemple, les protéines sécrétées associées à des communautés microbiennes commensales ou symbiotiques, et d’autres possibilités abondent à mesure que la capacité des technologies NGS progresser rapidement (examen : (Knief et coll. 2011).
La métabolomique caractérise les fonctions des gènes, mais les techniques ne sont pas spécifiques à l’organisme ni dépendantes de la séquence et peuvent donc révéler la vaste gamme de métabolites qui sont des produits finaux de la biochimie cellulaire dans les organismes, les tissus, les cellules ou les compartiments cellulaires (selon les échantillons analysés). Néanmoins, les connaissances sur le métabolome des communautés microbiennes dans des conditions environnementales particulières (microcosmes) révèlent beaucoup sur le cycle biogéochimique des nutriments et les effets des perturbations. Ces connaissances caractérisent diverses voies métaboliques et la gamme des métabolites présents dans les échantillons. Des analyses biochimiques et statistiques subséquentes peuvent indiquer des états physiologiques qui peuvent à leur tour être corrélés avec des paramètres environnementaux qui peuvent ne pas être évidents dans les approches génomiques ou protéomiques. Néanmoins, la combinaison de la métabolomique avec des études sur la fonction génétique offre un énorme potentiel pour faire progresser la recherche en aquaponie ; voir revue (van Dam et Bouwmeester, 2016).