Questions scientifiques & projet d’études applicables aux .... Biodiversité microbienne... · et paléo-limnologie : une approche pluridisciplinaire attendue dans les reconstitutions

Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »

Biodiversité microbienne :

Questions scientifiques & projet d’études

applicables aux lacs d’altitude

Isabelle DomaizonUMR CARRTEL - INRA Thonon


UNE DES QUESTIONS CENTRALES RELATIVES À LA BIODIVERSITÉ :

DYNAMIQUE DE LA BIODIVERSITÉ ?

DES QUESTIONS COMPLEXES PUISQUE LES ÉCOSYSTÈMES SONT SOUMIS DES ‘PERTURBATIONS’ MULTIPLES

QUI INTERAGISSENT (SYNERGIES/ANTAGONISMES ?) À DIFFÉRENTES ÉCHELLES DE TEMPS ET D’ESPACE

Comprendre les principes écologiques fondamentaux qui gouvernent la diversité biologique .

. Comment les espèces cohabitent-elles et se répartissent-elles l’espace et les ressources ? . Quelles est l’importance relative des facteurs de forçage (locaux globaux) dans la modification/dynamique de la diversité biologique ?. Comment la diversité se maintient dans un même écosystème: quel niveau de résilience et points de basculement ?. Quels services écosystémiques associés à la diversité biologique ?


LA CAS DE LA DIVERSITÉ MICROBIENNE :

. Des communautés clés dans les cycles biogeochimiques, à la base des réseaux trophiques

. Des groupes taxonomiquement divers (procaryotes ou

eucaryotes) et fonctionnellement divers (photo-autotrophes,

saprophytes, parasites, prédateurs)

Picoplancton 0.2- 3 µm

Nanoplancton 3- 20 µm

Microplancton 20 – 200 µm


Procaryotes Eucaryotes unicellulaires (protistes)

Bactéries hétérotrophes

Bactéries pigmentées :

cyanobactéries

ARCHAEA BACTERIA

Photo-autotrophesSaprotrophes Parasites

EUCARYA

mixotrophes

Prédateurs flagellés et ciliés

Virus

Bacteriophage

Parasite du phytoplancton

….

. Une diversité taxonomique et fonctionnelle encore incomplètement révélée(concept d’espèces , espèces cryptiques, espèces rares…)

Cytométrie en flux Microscopie

classique ou à épi fluorescence

Pico cyanobactéries

Les analyses moléculaires

Les approches moléculaires ont

révolutionné notre connaissance de la

diversité microbienne


Empreintes moléculaires

Mesures

d’activités

globales

La questions du :

‘Tout est partout

mais

l’environnement

sélectionne ‘

revisitée avec les

approches par

séquencage massif

Rares :Espèces en dispersion ?


Caron 2009

QUELQUES QUESTIONS D’ACTUALITÉ EN ÉCOLOGIE MICROBIENNE APPLICABLES AUX LACS D’ALTITUDES

1. Décryptage de diversité et Distribution des micro-organismes :

-Patron de diversité - Biogéographie - Colonisation des milieux

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

OTUs abundance

OTUs rank

21 OTUs dominants (50% des séquences)

596 OTUs rares (58% de la diversité; 1,3% des séquences)

400 OTUs

intermédiaires

(Mangot et al., in prep.)

Résultats de 23 échantillons juillet-septembre 2010 (méthode normalisée (semi quantitative)

�Lac Léman

� échantillonnage tout

les 2-3j

�Profondeur intégrée

0-20m

Une structure en core

taxa et rare taxa

248 567 séquences

=

1017 OTUs

Des questions abordées pour les grands lacs péri-alpins (SOERE et projets individuels )Ex : Décryptage de la diversité ‘picoeucaryote’ (<5µm) par séquençage haut débit .


Réservoir de la SEP

Lac PAVIN

Lac de La GODIVELLE

Lac du BOURGET

Retenue de VILLEREST

Lac d’AYDAT

Lac LEMAN

Gra

die

nt

tro

ph

iqu

eLac d’Anterne

pyrosequencage 454 Tag sequences sur amplicons ADNr 18S (NSF 573/19 : NSR 1147/20)

Comparaison interlacs par méthode de séquençage massif (picoeucaryotes <5µm)

Nbre de sequences Anterne 17092

Godivelle 10045Pavin 11618Sep 7795

Bourget 3759Léman 8742Aydat 8574

Villerest 8427Nuage 10480

Nombre d’OTUs selon le lac : entre 156 et 372 OTUs définis

(Schao : 306 à 508)

Richesse maximale détectée dans le réservoir

hypereutrophe.Richesse minimale détectée

dans le lac d’altitude

Nbre OTU (95%) Schao

156 306

348 426

258 415

311 398

295 429

235 309

241 325

372 508

288 386

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Anterne Godivelle Pavin Sep Bourget Léman Aydat Villerest

Stramenopiles

Choanoflagellida

Perkinsea

Microsporidia

Ichthyosporea

Heterolobosea

Haptophyceae

Haemosporida

Fungi + LKM11

Eukarya

Euglenozoa

Dinophyceae

Cryptophyta

Ciliophora

Chlorophyta

Cercozoa

Apicomplexa

Amoeba


L’intégration des lacs d’altitude dans l’analyse de la diversité actuelle des micro-organismes présente un intérêt certain en particulier s’il est accompagné de l’analyse typologique du lac et de son réseau trophique …

les lacs néo-formés des sites modèles pour l’étude de la colonisation.


2. Facteurs de régulation de la diversité :

-Quels facteurs de forçage orchestrent les changements de diversité microbienne ?

-Des disparitions/points de basculements de diversité ou plutôt des remaniements dominants/rares ?

A considérer à différentes échelles temporelles

- Etude à court pas de temps à une échelle temporelle intermédiaire (en lien avec les changements de quantité qualité des ressources (nutriments minéraux, organiques) les pressions de type top down ….) Type Suivis SOERE et projets associés

- A une échelle temporelle longue : approches paléolimnologiques

Reconstruire les réponses des communautés pélagiques face aux changements d’état des lacs

Acquérir des informations relatives aux conditions de pré-eutrophisation (potentiel état de référence ?)

Ob

jectifs

Sédimentologie

Ecologie

Biologie

Moléculaire

le couplage entre outils moléculaires et paléo-limnologie : une approche pluridisciplinaire attendue dans les reconstitutions paléo-environnementales

(1)Anderson-Carpenter et al 2011 BMC Evolutionary Biology 11:30

(2) Coolen et al 2009 Earth and planetary science letters 284 (3-4):610

(3) Coolen et al 2004 Earth and planetary science letters 223:225


Démarche paléo :Des résultats acquis par nos équipes CARRTELChrono-EnvironnementEDYTEM

LU

TU

NLU

Analyses ADNAnalyses ADNAnalyses ADNAnalyses ADN

1885

1940

2009

1970

Lam

iné

tran

siti

on

No

n la

min

éADN Extrait

2 groupes phytoplanctoniques ciblés

DiatoméesCyanobactéries

Cyanobactéries totales

Planktothrix rubescens Diatomées totales

Stephanidiscus minutulus

Cem

agre

f.f

r

EAW

AG

Sw

itze

rlan

d

PCR Quantitative

PCR Clonage /Sequençage

2 méthodes


Lac du Bourget (supports : PEPS , ANR Iper Retro)

crue

LU

TU

NLU

Nbre cellules estimés sur la base de 3

copies du gene 16S

0 8 E+52 4 6

Nb cells /g sed. sec

1940

1970

0 24 E+56 12 18

Copies du gene /g sed. sec

Cyanobactéries totales (16S)Q PCR

2009

Nostoc

Planktothrix

Chroococcidiopsis

Pleurocapsa

Glocapsa

Anabaena

Microcystis

Autres

PROPORTION DES DIVERS OTUs CYANOBACTERIENS DANS 8

LIBRAIRIES (16S , % de clones)

2009-2008

2001-2000

1993-19911988-1987 1983-1981

1973-1972 1960-1956

1952-1951

SEQUENCAGE

12 à 64 OTUs selon le strates

P.rubescens/Cyano

30% 20 10 0

% Cyanobactéries totales

0 5 10 15 20 25 30 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R Taxa Number

sequences


Re

olig

otr

op

his

atio

n

Eutr

op

his

atio

n

Pre

eu

tro

ph

isat

ion

2009-2008

2001-2000

1993-1991

1988-1987

1983-1981

1973-1972

1960-1956

1952-1951

Analyse composition phylogénétique des séquences ‘cyanobactéries’

Variance expliquée 61%Résidus : 39%

2009-2008

2001-2000

1993-1991

1988-1987

1983-1981

1973-1972

1960-1956

1952-1951

Représentativité des différents OTUs

�Déplétion en oxygène et/ou anoxie (Boere 2010)

�Taux de sédimentation importants�Forte adsoprtion de l’ADN sur des matrices minérales

�Température faible et stable �Faible bioturbation

Préservation ADN

Paléo-taxonomie analyses

phylogénétiques

Structure des assemblages planctoniques Co-occurrence d’espèces /groupes

analyses quantitatives (proportions relatives)

Ciblage d’organismes bio-indicateurs d’états trophiques,

de conditions d’anoxie, ...et/ou d’indicateurs de l’usage du bassin

versant des lacs


De nombreuses questions scientifiques peuvent être déclinées à partir de l’analyse ADN des archives sédimentaires

En complément d’approches plus classiques en paléoLimnologie

Forçages globaux

physiques chimiques

Forçages locauxanthropiques

usage

Système lacustre

Bassin versant

Archives sédimentaires

Réseautrophique

Interface sédiment - Biofilms

Biogéochimie

physique

Projet Biodiversa :

Résilience et points de basculement de la biodiversité des lacs d’altitude

Projet thèse intégré à ce projet :

Résilience et points de basculement de la biodiversité du phytoplancton et des eucaryotes (unicellulaires ) : l’ADN comme outil paleolimnologique

Contexte général : Compréhension des états écologiques actuels par une analyse de la trajectoire historique des écosystèmes.

Comparaison d ’états actuels et états passés (existence d’états de référence, points de basculement ?)

Les bases d’un projet en construction


Approche par les archives sédimentaires et le suivi de marqueurs biologiques et sédimentaires

Globales :Climat Apports atmosphériques (N, POPs, métaux…)

RégionalesApports atmosphériques (N, POPs, métaux…)

LocalesPastoralisme (occupation du sol sl.) Alevinage

Approche comparative de la diversité microbienne actuelledans des lacs de niveaux altitudinaux différents

(typologie différentes ?)

Caractérisation de la diversité compositionnelle / structurelle moderne

Les points de rupture repérables en sédimentologie correspondent ils à des ‘basculements de biodiversité ?

Analyses des archives sédimentaires


Données bibliographiques – Analyses géochimiques Traçage moléculaire des activités pastorales Traçage moléculaire des communautés piscicoles

Traçage moléculaire de la diversité eucaryote et phytoplanctonique+ outils traditionnels en paléolimnologie

Facteurs de forçage globaux/locaux estimés par La dynamique de la biodiversité

Projet thèse

Progresser dans la compréhension des

mécanismes qui façonnent la diversité biologique de ces lacs


Lacs d’altitude différentes , d’usage actuel différents le forçage climatique est variable en fonction de l’altitude

Haute Savoie et Ecrins

>2500m

1800-2200m

< 1800m

Noir Anterne Pormenaz

Blanc Du Vallon LausanierMusel Lauvitel

Des réflexions autours des sites d’étude

Des réflexions autours des méthodes/stratégies mises en oeuvre

Des analyses de séquençage massif (454 et illumina) seront appliquées

Des points méthodologiques seront testés (méthodes d’extraction )

…


. Les questions relatives aux fonctions exercées par le smicro-organismes :

-Fonctions par rapport aux cycles biogéo-chimiques

=> Approche par ciblage moléculaire de gènes fonctionnels

Non évoquées ici :

QUELQUES QUESTIONS D’ACTUALITÉ EN ÉCOLOGIE MICROBIENNE APPLICABLES AUX LACS D’ALTITUDES


Merci

dinophyceae

ciliophora

cryomodadida

cercozoa

rhodophyta

bacilariophyceae

chrysophyceae

labyrinthulida

chlorophyceae

fungi

metazoa

Pavin

Bourget

dinophyta

apicomplexa

ciliophora

Cryothecamonidida

cercozoa

bacillariophyceae

oomycetes

euglenida

ichthyosporea

metazoa

fungi

?

dinophyceae

ciliophora

cercozoa

ichthyosporea

bacilariophyceae

bicosoecida

fungi

metazoa

??

Aydat

Un ciblage des eucaryotes totaux avec un profondeur d’analyses importanteest a priori une option interessante

Si l’on recherche une diversité globale

( tous groupes eucaryotes)

RESILIENCE

�Capacité d’un milieu à résister à uneperturbation et vitesse à laquelle ilrevient à un état d’équilibre (Pimm, 1984)

�Capacité d’un système à faire face auxperturbations et maintenir ces fonctions(Gunderson & Holling, 2001)

� taille de l’espace, autour d’un état , quicorrespond au maximum de perturbationqui peut être supporté sans causer debasculement/changement à l(etet destabilité (Scheffer et al, 2001).


capacité des systèmes complexes à résister aux perturbations, à préserver leur fonctionnement. capacité à maintenir ses propriétés émergentes, son autonomie et ses fonctions régulatrices. ne doit pas être vue comme la capacité de retour à l’identique plutôt la capacité à recomposer l’assemblage des espèces et des liens qu’elles entretiennent, de manière à maintenir la fonctionnalité globale, la qualité du service rendu.

On reconnaît que la diversité au sein d’un écosystème est un gage de résilience. En effet, plus d’espèces signifie plus de liens structuraux, plus de redondance, plus d’alternatives.

Les écosystèmes se sont construits sur fond de perturbations récurrentes, et l’ « hypothèse des perturbations intermédiaires » dit que la diversité est maximale à une fréquence ou une amplitude intermédiaire des perturbations.

Il est clair que sous un régime élevé de perturbations, les écosystèmes ne peuvent se reconstituer, par manque de temps ou par extinction de trop d’espèces.

Cependant un régime modéré de perturbations permet de redistribuer les cartes, de créer des opportunités. Les espèces ayant des capacités de dispersion et de reproduction importantes vont retrouver la place monopolisée par les espèces meilleures compétitrices en environnement stable.L’analyse des réseaux écologiques montre que les écosystèmes sont résilients. Ils conservent globalement leurs fonctionnalités quand on supprime des liens, mais seulement jusqu’à un seuil au-delà duquel ils se disloquent. Certaines espèces « clé de voûte » sont dépositaires de très nombreux liens, garants de la stabilité de l’écosystème.


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