Questions scientifiques & projet d’études applicables aux .... Biodiversité microbienne... ·...
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Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
Biodiversité microbienne :
Questions scientifiques & projet d’études
applicables aux lacs d’altitude
Isabelle DomaizonUMR CARRTEL - INRA Thonon
Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
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 ?
Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
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
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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
Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
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 ?
Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
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 .
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 )
…
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. 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
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).
Rencontres scientifiques « Lacs sentinelles »
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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