Numérisation en 3D de la vie marine la plus délicate, grâce à un robot sous-marin.

La combinaison de technologies d’imagerie, de séquençage et de collecte avancées ouvre la voie à de meilleures descriptions d’espèces marines fragiles, grâce à une stratégie de synthèse numérique robotisé pour la prise in situ des espèces

Les avancées révolutionnaires dans l’imagerie sous-marine, la robotique et le séquençage génomique ont remodelé l’exploration marine. Nous présentons et démontrons une approche interdisciplinaire qui utilise des technologies d’imagerie quantitatives émergentes, un système d’encapsulation robotique innovant avec une préservation in situ de l’ARN et le séquençage génomique de nouvelle génération pour obtenir des données biologiques, biophysiques et génomiques complètes des organismes des profondeurs marines. La synthèse de ces données fournit des informations morphologiques et génétiques riches pour la description des espèces, dépassant les méthodes traditionnelles d’observation passive et les spécimens préservés, en particulier pour le zooplancton gélatineux. Notre approche améliore notre capacité à étudier les animaux délicats des eaux moyennes, améliorant ainsi la recherche dans les océans du monde.

L’environnement marin profond reste l’un des écosystèmes les moins connus et les plus difficiles à étudier sur Terre, malgré des cartes plus détaillées de la surface de Mars que des océans profonds. Alors que les humains ont exploré divers écosystèmes terrestres depuis des millénaires, l’exploration et l’étude des océans, au-delà des zones peu profondes, ne sont possibles que depuis quelques centaines d’années. Les avancées technologiques récentes, notamment dans la robotique souple et l’imagerie sous-marine avancée, ont permis d’élargir l’enquête biologique aux animaux délicats du fond marin. Dans cette étude, nous combinons la robotique, l’imagerie tridimensionnelle, et la biologie moléculaire pour collecter des données riches sur les organismes marins profonds. Deux expéditions à bord du R/V Falkor avec le ROV SuBastian ont été menées pour tester ces techniques, offrant de nouvelles possibilités pour l’étude des fonds marins.

Si nous rencontrions un organisme marin d’intérêt, nous commencions par collecter des données morphologiques in situ à l’aide de caméras ROV en 4K, puis nous procédions à une imagerie quantitative avec les systèmes EyeRIS et/ou DeepPIV. Ensuite, nous capturions l’animal avec le RAD-2 et prélevions des échantillons de tissus à l’aide d’un appareil d’échantillonnage RAD-2 couplé à un échantillonneur SuPR de McLane Labs. Pendant ce temps, un échosondeur EK60 monté sur le navire guidait la navigation en identifiant les zones de biodensité élevée. Bien que nous ayons collecté 65 échantillons de tissus et d’eau avec le RAD-2, tous les spécimens échantillonnés n’étaient pas adaptés à l’imagerie en raison de diverses considérations techniques. Malgré les défis rencontrés pour imager et échantillonner les organismes de grande taille, notre méthode a permis d’obtenir des données riches pour quatre espèces représentatives des fonds marins de mi-eau. En combinant des techniques d’imagerie avancées avec des méthodes innovantes de capture et de préservation ainsi que des analyses génétiques, nous avons réussi à synthétiser de manière complète la biologie d’organismes dans leur environnement naturel, en particulier pour le zooplancton gélatineux

En moyenne, chaque plongée ROV de 8 heures avec le ROV SuBastian a permis de rencontrer, imager et échantillonner cinq spécimens cibles, avec un temps total d’observation et d’imagerie souvent inférieur à 20 minutes par spécimen. Les données d’imagerie quantitative ont été collectées sur divers individus appartenant à différentes catégories taxonomiques, permettant des mesures morphologiques détaillées sur quatre spécimens, notamment des siphonophores, des salpes et des vers polychètes.

Sur la base de caractéristiques morphologiques spécifiques, nous identifions différents spécimens marins rencontrés lors des plongées avec le ROV SuBastian. Par exemple, nous identifions RAD2-039 comme Pegea sp., RAD2-055 comme Tomopteris sp., RAD2-064 comme Marrus claudanielis, et RAD2-065 comme Errena sp. Nous encourageons des analyses supplémentaires pour affiner ces identifications.

En utilisant la technologie DeepPIV et EyeRIS, nous avons collecté des données d’imagerie quantitative sur divers organismes, y compris des siphonophores, des méduses et des tunicates. Nous avons également généré des modèles 3D de certains spécimens, comme le siphonophore M. claudanielis.

Après avoir filmé chaque organisme, un nouveau type de conteneur dans l’un des bras robotiques s’est déployé comme un origami pour capturer doucement l’animal flottant. Ensuite, une lame rotative à découper l’échantillon en morceaux qui ont été aspirés dans un conteneur et remplis de conservateurs pour préserver l’ADN de meilleure qualité et mieux comprendre les gènes actifs dans leur environnement naturel.

En 2021, les chercheurs ont mis à l’épreuve simultanément ces nouvelles technologies. C’est la combinaison de toutes ces technologies sur un seul ROV qui a été le plus grand défi ». Nous pouvons enfin présenter une méthode d’encapsulation innovante appelée RAD, qui permet la collecte de tissus et la préservation in situ des animaux planctoniques.

Pendant leur tournée dans l’océan Pacifique, l’équipe de Schmidt Ocean Institute a filmé 61 animaux et capturé les 32 qui ne sont pas parvenus à s’échapper. Quatre individus très différents ont été sélectionnés pour une étude plus approfondie, réalisant des reconstructions en 3D des créatures translucides pour fournir un test complet de la technologie.

Leurs données leur ont permis d’identifier une siphonophore de l’espèce Marrus claudanielis après le séquençage de son génome, qui s’est avéré dix fois plus grand que le génome humain. Ils ont également catalogué l’apparence et la génétique d’autres organismes marins.

Les transcriptomes de référence exprimés pour quatre animaux des grands fonds fournissent de nouvelles ressources pour l’inférence évolutive et écologique. La préservation sur site des échantillons permet l’extraction et le séquençage de transcriptomes de haute qualité pour chaque spécimen. Les scores de complétude BUSCO pour chaque organisme varient, allant de 63,0% à 90,3%. Des analyses de gènes marqueurs relient les spécimens rencontrés à des spécimens témoins, confirmant les identifications rapportées. De plus, un assemblage de haute qualité du génome de la salpe Pegea sp. est rapporté, avec des prédictions structurales indiquant une complétude fonctionnelle élevée.