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LA RÉGRESSION DES FUCALES DE L’ESTRAN BRETON
Depuis 2004, le Rebent déploie une stratégie multiple pour caractériser la dynamique des grands peuplements de macroalgues côtières que sont les populations de Pelvetia canaliculata, Fucus spp., Ascophyllum nodosum et Laminaria spp. (Derrien-Courtel et al., 2010). Un travail de recensement et de numérisation des données bibliographiques a d‟abord été mené, afin de rassembler les données préexistantes. Puis, l‟état des populations de macroalgues a été déterminé par deux approches :
1. Une méthode sectorielle fondée sur la télédétection par le satellite Spot. Par analyse du spectre de la lumière renvoyée par les zones côtières, il est possible de réaliser une interprétation en termes de couverture algale (Perrot et al., 2006).
2. Une méthode stationnelle qui s‟appuie sur un suivi des grandes populations de macroalgues et détermine l‟évolution temporelle de la diversité algale et du couvert végétal sur chacun des estrans étudiés (Ar Gall et al., 2010).
Les deux approches décrivent une régression drastique des populations d‟algues brunes entre 1987 et 2004 sur de nombreux sites comme Santec, Quiberon, et Pleubian (Figure 1). Cependant, les indicateurs soulignent une recolonisation du substrat depuis 2004 (Derrien-Courtel et al., 2010). Si la régression des Fucales et des Laminariales a été observée ailleurs en Europe, les causes de ce phénomène ne sont pas encore parfaitement cernées. Une dominance alternée entre populations végétales et animales, associée à des oscillations climatiques, est avancée pour expliquer le phénomène (Rossi et al., 2010). Il n‟en demeure pas moins problématique de ne pouvoir anticiper les fluctuations des peuplements de macroalgues, ni d‟en connaître précisément l‟origine.
Sur les côtes méditerranéennes, un phénomène de régression des macroalgues brunes a également été observé, pour lequel la pression anthropique est directement mise en cause.
LA RÉGRESSION DES FUCALES DES CÔTES MÉDITERRANÉENNES
La Méditerranée est une mer presque fermée qui ne reçoit que des apports limités d‟eau de mer par le détroit de Gibraltar. Ce relatif isolement a permis le développement de peuplements benthiques originaux, et les populations végétales remarquables que sont les algueraies de cystoseires et les herbiers de posidonie sont un symbole de la richesse des fonds méditerranéens. En revanche, la forte densité de la population humaine sur tout le pourtour du bassin induit une forte contrainte anthropique qui tend à altérer l‟état des biocénoses.
Aussi très rapidement, avec la Convention de Barcelone pour la protection de la Méditerranée contre la pollution signée en 1976, les pays du bassin méditerranéen se sont entendus autour d‟une stratégie commune en faveur de la biodiversité et des habitats particuliers. La Convention de Berne pour la protection de la vie sauvage (1978), dont l‟action rayonne sur l‟ensemble des pays européens, dresse pour la Méditerranée une liste d‟espèces d‟algues brunes strictement protégées qui inclut cinq espèces de Cystoseira (C. amentacea, C. mediterranea, C. sedoides, C. spinosa et C. zosteroides).
Le recul des forêts sous-marines de cystoseires est un phénomène bien documenté en Méditerranée, et les causes avérées sont multiples : eutrophisation, pollution, augmentation de la turbidité de l‟eau, prédation/compétition (liste non exhaustive ; d‟après Sales et al., 2011 ; Díez et al., 2011 ; Falace et al., 2010 ; Arévalo et al., 2007 ; Pinedo et al., 2007 ; Thibaut et al., 2005 ; UNEP, 1996 ; Munda, 2000). Ces algues brunes sont alors très souvent remplacées par des algues rouges (genre Corallina) ou des algues vertes (genre Ulva) qui adoptent un comportement opportuniste. Thibaut et al. (2005) ont étudié ce phénomène de recul de cystoseires sur la côte des Albères, dans les Pyrénées Orientales (Tableau 1).
Par comparaison avec les inventaires réalisés par Sauvageau (1912), Feldman (1937) et Gros (1978), les auteurs ont mis en évidence une tendance à la diminution de l‟abondance pour toutes les espèces de Cystoseira depuis le début du XXème siècle, qui a conduit à la disparition de plusieurs taxons.
LE GENRE CYSTOSEIRA EN BRETAGNE
Les espèces de Cystoseira sont particulièrement étudiées en Méditerranée, zone géographique où le genre est le plus diversifié et où les espèces sont les plus abondantes (Cabioc‟h et al.¸ 2006). Sur les côtes de l‟Atlantique Nord-Est, le genre est représenté par quelques espèces, certaines étant caractéristiques de cet océan, comme C. baccata, C. nodicaulis et C. tamariscifolia (Sauvageau, 1912), d‟autres s‟établissant aussi bien en Méditerranée que dans l‟Atlantique, comme C. fœniculacea et C. humilis.
Ces cinq espèces sont les seules établies en Bretagne. Elles y constituent un élément fondamental dans la structuration des habitats marins. L‟Hardy-Halos et al. (1973) ont réalisé une classification phytosociologique des algues, afin de caractériser la stratification verticale des algues dans les fonds marins, et de mettre en évidence le rôle-clé de certaines espèces dans les écosystèmes benthiques (Figure 2).
Figure 2 : Stratification du benthos adaptée d’après l’Hardy-Halos et al. (1973). De gauche à droite : Laminaria hyperborea et L. digitata (strate mégabiotique) ; Fucus serratus (strate macrobiotique) ; Codium bursa et Chondrus crispus (strate micro-méiobiotique) ; Lithophyllum incrustans (strate encroûtante).
Les cinq espèces étudiées se situent généralement dans la strate macrobiotique (avec des individus adultes entre 40 et 80 cm). Certains thalles de Cystoseira baccata et C. tamariscifolia dépassent le mètre, entrant ainsi dans la strate mégabiotique. Ils forment alors une canopée qui constitue un habitat luxuriant pour de nombreuses espèces animales et végétales.
Comme cela a été décrit en Méditerranée, les populations de cystoseires de la facade Atlantique sont également soumises à de multiples menaces. La plus importante est sans doute l‟espèce invasive Sargassum muticum, qui s‟établit progressivement en Europe depuis les années 1970. Les conséquences de la colonisation de cette algue japonaise sur les peuplements autochtones ont fait l‟objet de nombreuses publications. Arenas et al. (1995) relient la capacité d‟invasion de Sargassum muticum à une production de zygotes bien supérieure aux algues natives, telles que Cystoseira nodicaulis en Espagne. Viejo (1997) rapporte des changements importants dans les cuvettes de l‟estran de la côte du Nord de l‟Espagne, notamment une diminution de la couverture de Fucales suite à l‟apparition de Sargassum muticum. L‟auteur suppose qu‟un phénomène d‟ombrage limiterait le développement des autres algues, comme cela a été montré pour Bifurcaria bifurcata (Fucales, Sargassaceae) qui semble particulièrement affectée par la canopée de S. muticum (Figure 3). Wernberg et al. (2001) évoquent l‟importance du cycle pseudo-pérenne de l‟algue invasive, par rapport aux espèces natives de Sargassaceae. Le thalle de Sargassum muticum est extrêmement réduit en hiver, et toute l‟énergie est consacrée, jusqu‟à la période estivale, à l‟élongation et la mise en place des organes de la reproduction, puis à la reproduction en été. Par opposition, Halidrys siliquosa (Fucales, Sargassaceae), espèce pérenne, dépense une partie non négligeable de son énergie au maintien de l‟intégrité de son thalle durant la mauvaise saison, ce qui nuirait à son potentiel de croissance et de reproduction au printemps. Les travaux de Le Lann (2009) corroborent toutes ces données et signalent une plus grande plasticité de Sargassum muticum vis-à-vis des conditions environnementales, en comparaison aux espèces natives, Cystoseira baccata et Bifurcaria bifurcata.
Tout comme les espèces méditerranéennes, les cystoseires de l‟Atlantique sont particulièrement sensibles aux phénomènes de pollution. Díez et al. (2003, 1999) ont montré la régression de Cystoseira baccata et C. tamariscifolia sur la côte basque espagnole, à proximité d‟effluents contaminés par des eaux usées d‟origine domestique et industrielle. Par ailleurs, Lodeiro et al. (2006) ont montré la capacité des tissus de C. baccata à fixer (par adsorption) le Plomb (Pb2+) et le Cadmium (Cd2+). Toujours pour cette même espèce, Herrero et al. (2005) ont prouvé sa capacité à retenir le Mercure (Hg2+). Le genre Cystoseira est ainsi représenté, dans l‟Atlantique comme en Méditerranée, par des espèces dont la sensibilité aux perturbations anthropiques est avérée. De ce fait, Juanes et al. (2008) incluent C. baccata et C. tamariscifolia dans une liste réduite d‟espèces naturellement présentes dans les étages infralittoral et médiolittoral de Cantabrie (Espagne), liste qui est prise en compte dans le calcul d‟un indice de qualité des fonds rocheux. De la même façon, Díez et al. (2011) mettent la présence d‟espèces de Cystoseira au cœur de la détermination de la qualité des estrans rocheux. Les cystoseires sont donc des indicateurs de bon état écologique.
LA TAXINOMIE ET LA CLASSIFICATION, AXES DE RECHERCHES MAJEURS
Le rôle déterminant des cystoseires dans les écosystèmes benthiques et leur déclin sous la contrainte de facteurs anthropiques sont aujourd‟hui les principales raisons de l‟attention qui est leur porté. Historiquement, ces espèces ont été étudiées pour des raisons bien différentes. Depuis le XIXème siècle, de nombreux phycologues de toute l‟Europe se sont attachés à caractériser et classer les différentes espèces et à en fournir des clés de détermination. La tâche s‟est avérée compliquée, nécessitant des approches d‟alpha-taxinomie (collecte et description d‟échantillons) et de beta-taxinomie (hiérarchisation entre espèces). Des méthodes morphologiques et cytologiques ont d‟abord été employées. Elles ont connu leur apogée dans le courant du XXème siècle, sous l‟impulsion de quelques phycologues, tels Sauvageau, Feldmann, Ercegović et Giaccone notamment (Pellegrini et al., 1997). Elles ont été complétées dès les années 1970 par des études chimiques qui ont permis d‟établir une correspondance entre la production de molécules originales et la systématique (Amico, 1995 et Valls & Piovetti, 1995 pour revue). Enfin, depuis les années 1990 et suite à l‟essor de la biologie moléculaire, des analyses phylogénétiques ont levé le voile sur certaines questions de classification à l‟échelle de l‟ordre des Fucales (Cho et al., 2006 ; Rousseau et al., 1999 ; 1997), sans résoudre la polyphylie du genre. Au commencement de ce travail de thèse, aucune étude ne détaillait les relations phylogénétiques entre les cinq espèces du littoral breton.
Les études chimiques au sein du genre Cystoseira n‟ont pas uniquement cherché à établir des classifications. Elles s‟inscrivent plus généralement dans le cadre d‟une recherche de nouvelles substances naturelles d‟origine marine qui s‟est particulièrement développée au cours du XXème siècle.
LA RECHERCHE DE SUBSTANCES NATURELLES MARINES
DÉVELOPPEMENT ET OBJECTIFS
Au siècle dernier, sous l‟impulsion d‟avancées techniques, les ressources profondes, jusque-là hors de portée, sont devenues accessibles. Grâce à l‟amélioration des méthodes analytiques, de nouvelles molécules ont pu être identifiées, dévoilant progressivement la complexité et la diversité chimique du milieu marin. Le nombre de nouvelles molécules découvertes chez des organismes marins continue sa progression depuis les années 1950 (Figure 4).
Le plus souvent, deux démarches motivent la recherche de substances naturelles marines. La première a pour objectif la compréhension de phénomènes biologiques. En effet, dans l‟océan comme sur les terres émergées, il a été démontré que de multiples familles de molécules sont impliquées en tant que moyens privilégiés de communication entre organismes (voir Potin et al., 2002 pour le cas des macroalgues). Ces molécules sont souvent des métabolites secondaires : elles ne sont pas synthétisées pour répondre aux besoins essentiels de l‟organisme, ce rôle étant assuré par les acides nucléiques, les acides aminés et de nombreux oses et lipides (Amsler, 2008). La connaissance structurale de ces métabolites secondaires est une condition sine qua non à la compréhension du dialogue chimique qui s‟établit entre espèces au sein des écosystèmes.
Les substances naturelles marines sont également associées à une grande palette d‟activités biologiques. L‟océan se révèle être une source potentielle de nouveaux médicaments (Bhakuni & Rawat, 2005). Aussi, la publication de la structure chimique d‟une nouvelle molécule s‟accompagne assez fréquemment d‟une perspective de valorisation, via des résultats de tests d‟activité. Les principales investigations concernent le secteur médical, et des propriétés anticancéreuses, antibiotiques et anti-inflammatoires de nombreuses molécules marines ont été mises en évidence (voir Blunt et al. (2007) pour une liste des activités). D‟autres applications dans le domaine des biotechnologies sont également à l‟essai, notamment l‟activité antifouling. Le fouling traduit l‟accumulation progressive d‟organismes sur les coques de navires. Il entraîne une surconsommation de carburant, une diminution de la vitesse du navire et une détérioration accélérée de sa coque. Le TBT est un biocide puissant, largement incorporé dans les peintures des navires pour lutter contre le fouling, mais dont les effets sur les écosystèmes marins sont dévastateurs, même à faible dose. Depuis l‟interdiction partielle du Tributylétain (TBT) votée par l‟Organisation Maritime Internationale en 2001, l‟activité antifouling de nouvelles molécules marines est évaluée, afin de trouver une alternative à ce composé toxique.
MÉTABOLITES SECONDAIRES DES MACROALGUES
Les substances naturelles de macroalgues marines présentent une grande variété d‟activités biologiques (Bourgougnon & Stiger-Pouvreau, 2011). Les investigations actuelles sont essentiellement portées sur leurs propriétés cytotoxiques et antibiotiques (Figure 5). Cependant, ces nouvelles molécules actives sont issues d‟un nombre assez restreint d‟espèces qui attirent l‟attention des chercheurs, comme les espèces des genres Dictyota et Sargassum (algues brunes) ainsi que Laurencia (algues rouges).
Figure 5 : Activités biologiques des métabolites de macroalgues ; nombre d’études publiées et de composés actifs (d’après Ioannou & Roussis, 2009)
En effet, la variété des substances naturelles est inégalement répartie entre les trois grandes classes de macroalgues marines (Maschek & Baker, 2008). Les algues rouges (classe des Rhodophyceae) représentent la plus grande richesse chimique, et près de la moitié des nouvelles molécules décrites sont issues du genre Laurencia. La plupart des découvertes actuelles concernent des dérivés terpéniques bromés ou chlorés, de type diterpènes et sesquiterpènes (Stengel et al., 2011). Au contraire, on ne reporte chez les algues vertes (classe des Chlorophyceae) que très peu de molécules originales, principalement des terpènes, similaires à ceux rencontrés chez les algues rouges, à ceci près qu‟ils ne sont pas halogénés.
Chez les algues brunes (classe des Phaeophyceae), les terpènes et les phlorotannins sont les deux principales familles de molécules étudiées (Blunt et al., 2007). Ces deux types de biomolécules sont impliqués dans la défense chimique des macroalgues (Potin et al., 2002). Ils peuvent ainsi être synthétisés en réponse à une agression extérieure, comme celle d‟un herbivore par exemple (Stiger et al., 2004 ; Brock et al., 2001 ; Cronin & Hay, 1996).
Les terpènes sont particulièrement étudiés au sein des ordres des Fucales et des Dictyotales. Parmi les représentants de ces deux ordres, la classification actuelle au sein des genres Cystoseira et Dictyota n‟est pas des plus évidentes (Tronholm et al., 2010 ; Amico, 1995). C‟est la raison pour laquelle les terpènes ont été utilisés en tant que chimiomarqueurs, afin de préciser les relations entre espèces à l‟intérieur de ces deux genres (De-Paula et al., 2008 ; Pelegrini et al., 1997 ; Kelecom & Laneuville-Teixeira, 1986). Parallèlement, l‟activité anti-fouling de nombreux terpénoïdes a été démontrée (Bhadury & Wright, 2004). Ainsi, des terpènes isolés chez Bifurcaria bifurcata, Halidrys siliquosa et Cystoseira baccata ont montré une activité anti-fouling significative (Hellio et al., 2001 ; Mokrini et al., 2008 ; Culioli et al., 2008).
Contrairement aux terpènes, qui ne sont pas synthétisés par toutes les algues brunes, les phlorotannins sont des composés ubiquistes dans la classe des Phaeophyceae (Ragan & Glombitza, 1986). Ces molécules sont des biopolymères de taille très variable, et qui ont de multiples rôles cellulaires (de la constitution de la paroi aux voies de signalisation cellulaire) et plus encore de rôles écologiques (activité anti-herbivore, filtre naturel aux UV, etc.), d‟après Amsler & Fairhead (2006). De nombreuses activités biologiques leur sont associées, tout particulièrement dans le secteur biomédical pour les phlorotannins d‟Ecklonia cava : activité anti-VIH (Artan et al., 2008) ; protection contre les rayons ionisants (Park et al., 2008a, 2008b) ; amélioration de la mémoire lors de troubles dégénératifs du cerveau (Myung et al., 2005) ; protection des cellules du foie (Kim et al., 2005), etc.
Table des matières
Avant-propos
1 Contexte scientifique
2 Collaborations
3 Autres activités pendant la thèse
4 Diffusion scientifique
5 Organisation du manuscrit
Introduction générale
1 La biodiversité, nouvel enjeu politique
2 La régression des Fucales de l‟estran breton
3 La régression des Fucales des côtes méditerranéennes
4 Le genre Cystoseira en Bretagne
5 La taxinomie et la classification, axes de recherches majeurs
6 La recherche de substances naturelles marines
6.1 Développement et objectifs
6.2 Métabolites secondaires des macroalgues
7 Contexte scientifique de l‟étude
8 Objectifs du manuscrit
Chapitre I Cadre environnemental et biologique
1 Environnement marin et sites d‟étude
1.1 Subdivisions du domaine océanique
1.2 Lumière et peuplements de macroalgues
1.3 Les marées, phénomène structurant l‟étage médiolittoral
1.4 Spécificités géomorphologiques et climatiques de la Bretagne
1.5 Caractérisation de l‟étage médiolittoral
1.6 Sélection des sites d‟études
1.6.1 La pointe de Penmarc‟h
1.6.2 La plage du Trez-Hir à Plougonvelin
1.6.3 L‟anse de Porsmeur à Porspoder
1.6.4 La station de Portsall à Ploudalmézeau
2 Modèle biologique
2.1 Les origines multiples des algues
2.2 Présentation du genre Cystoseira
2.2.1 Origines
2.2.2 Systématique
2.2.3 Diversité
2.2.4 Répartition mondiale et éléments de biologie
2.2.5 Morphologie
2.2.6 Reproduction
2.2.7 Critères d‟identification
2.3 Présentation des espèces étudiées
2.3.1 Cystoseira baccata (S.G. Gmelin) P.C. Silva
2.3.2 Cystoseira foeniculacea (Linnaeus) Greville
2.3.3 Cystoseira humilis Schousboe ex Kützing
2.3.4 Cystoseira nodicaulis (Withering) M. Roberts
2.3.5 Cystoseira tamariscifolia (Hudson) Papenfuss
2.4 Complément d‟information pour la discrimination des 5 espèces
Chapitre II Taxinomie et systématique des espèces du genre Cystoseira en Bretagne
1 Introduction
1.1 Historique taxinomique et systématique au sein du genre Cystoseira
1.1.1 Observations morphologiques et cytologiques
1.1.2 La classification chimiotaxinomique
1.1.3 L‟apport de la phylogénie moléculaire
1.2 Objectifs de l‟étude taxinomique au sein du genre Cystoseira
2 Matériels et méthodes
2.1 Discrimination des espèces par chromatographie sur couche mince
2.2 Étude de taxinomie générale du genre Cystoseira en Bretagne
2.2.1 Collecte et préparation des échantillons
2.2.2 Empreintes chimiques par 1H RMN HR-MAS
2.2.3 Empreintes chimiques par LC-ESI-MSn
2.2.4 Analyses phylogénétiques
2.3 Purification et caractérisation de chimiomarqueurs
3 Résultats
3.1 Discrimination des espèces par chromatographie sur couche mince
3.2 Étude de taxinomie générale du genre Cystoseira en Bretagne
3.3 Isolement du chimiomarqueur de Cystoseira nodicaulis
4 Discussion
4.1 Discrimination des espèces
4.2 Classification chimique des espèces
4.3 La Classification chimique face à la classification phylogénétique
4.4 La nouvelle nomenclature des cystoseires de Bretagne
4.5 Pertinence des critères morphologiques
4.6 Les terpènes, au-delà de simples marqueurs chimiotaxinomiques
5 Conclusion
Chapitre III Distribution, biologie des populations et adaptations pigmentaires des espèces de Cystoseira
1 Introduction
1.1 Distribution des cystoseires sur l‟estran
1.2 Évolution spatio-temporelle des populations
1.3 Adaptation pigmentaire et distribution sur l‟estran
1.3.1 Variabilité de la quantité de lumière reçue sur l‟estran
1.3.2 Appareil pigmentaire des macroalgues brunes
1.4 Objectifs de l‟étude écologique du genre Cystoseira
2 Matériels et méthodes
2.1 Étude de la distribution
2.2 Suivi écologique des populations
2.3 Quantification des principaux pigments
2.3.1 Prélèvements et conditionnement des échantillons
2.3.2 Extraction des pigments et préparation avant dosage
2.3.3 Séparation et dosage par Chromatographie Liquide Haute Performance
2.4 Analyse statistique des données
3 Résultats
3.1 Distribution et évolution spatio-temporelle des populations
3.1.1 Étude principale
3.1.2 Éléments complémentaires : variabilité saisonnière de la distribution
3.2 Variabilité inter- et intraspecifique des principaux pigments
4 Discussion
4.1 La distribution des cystoseires, une constante à travers les saisons
4.2 Différentes répartitions, différentes stratégies
4.3 La saisonnalité, un caractère spécifique
4.4 Analyse quantitative des pigments en lien avec la distribution
5 Conclusion
Chapitre IV Phlorotannins du genre Cystoseira
1 Introduction
1.1 Présentation générale des phlorotannins
1.2 Méthodes d‟analyse
1.3 Rôles écologiques
1.4 Sources de variabilité des teneurs en phlorotannins
1.5 Perspectives de valorisation
1.6 Objectifs de l‟étude des phlorotannins du genre Cystoseira
2 Matériels et méthodes
2.1 Variabilité des teneurs en phlorotannins
2.1.1 Stratégie d‟échantillonnage et conditionnement
2.1.2 Extraction des phlorotannins
2.1.3 Choix de la méthode de quantification des composés phénoliques
2.1.4 Purification partielle des extraits bruts
2.1.5 Dosage des composés phénoliques par la méthode de Folin-Ciocalteu
2.1.6 Analyse statistique des données
2.2 Caractérisation structurale des phlorotannins du genre Cystoseira
2.2.1 Échantillonnage
2.2.2 Extraction des phlorotannins
2.2.3 Purification et fractionnement de l‟extrait
2.2.4 Analyses par résonance magnétique nucléaire
2.2.5 Détermination de l‟activité antiradicalaire des fractions purifiées
2.3 Étude du pool de phlorotannins chez Cystoseira tamariscifolia
2.3.1 Identification du phloroglucinol
2.3.2
2.3.3 Variabilité intra-individuelle
2.3.4 Variabilité saisonnière
3 Résultats
3.1 Détermination des teneurs en phlorotannins
3.1.1 Choix du protocole d‟extraction-purification
3.1.2 Variabilité des teneurs en composés phénoliques
3.2 Caractérisation structurale des phlorotannins
3.2.1 Efficacité du protocole de purification
3.2.2 Caractérisation des fractions purifiées par RMN 2D 1H-13C (HMBC)
3.2.3 Détermination de l‟activité antiradicalaire des fractions purifiées
3.3 Étude du phloroglucinol chez Cystoseira tamariscifolia
4 Discussion
4.1 Détermination des teneurs en phlorotannins
4.1.1 Optimisation du protocole de purification des extraits bruts
4.1.2 Teneurs spécifiques
4.1.3 Variabilité saisonnière
4.2 Caractérisation structurale des phlorotannins
4.2.1 Efficacité du protocole de purification
4.2.2 Familles de phlorotannins caractérisées par rmn 2D
4.2.3 Activité antiradicalaire des phlorotannins
4.3 Étude du phloroglucinol chez Cystoseira tamariscifolia
5 Conclusion
Conclusion générale
1 Résultats majeurs
2 Perspectives
Bibliographie
Résumé vulgarisé
