Diversité, distribution spatiale et dynamique temporelle des petits eucaryotes dans des écosystèmes d'eau douce peu profond

Diversity, spatial distribution and temporal dynamics of small eukaryotes in shallow freshwater ecosystems

• Auteur / Autrice : Marianne Simon
• Direction : Purificación López-García, Ludwig Jardillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 26/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Gènes, Génomes, Cellules (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....) - Ecologie Systématique et Evolution
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Purificación López-García, Ludwig Jardillier, Jean-François Humbert, Isabelle Domaizon, Didier Casane, Laure Guillou, Ramon Massana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Humbert, Isabelle Domaizon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des étangs

Diversité microbienne

Protistes eucaryotes

Mots clés libres

Eucaryotes microbiens

Diversité

Dynamique temporelle

Mares

Ruisseaux

Eau douce

Écologie

Microbial eukaryotes

Diversity

Temporal dynamics

Ponds

Brooks

Freshwaters

Ecology

Résumé

La diversité des très petits eucaryotes (<5 µm) a essentiellement été étudiée par des méthodes moléculaires dans les océans ou de grands lacs. La diversité dans les écosystèmes d'eau douce peu profonds reste très peu explorée, bien que ces systèmes soient très nombreux et écologiquement importants en régions tempérées. Dans ce travail, nous avons voulu explorer la diversité et certains aspects de l'écologie des micro-organismes eucaryotes dans ce type d'écosystèmes, à l'aide de méthodes moléculaires ciblant l'ADNr 18S de cellules planctoniques de surface, dans la fraction de taille théorique 0,2-5 µm. Nous nous sommes d'abord concentrés sur les haptophytes, un groupe important en milieu marin mais beaucoup moins bien connu en eaux douces. Nous avons exploré leur diversité à l'aide d'amorces spécifiques pour amplifier les gènes des ARNr 18S du groupe suivi du clonage / séquençage Sanger de ces marqueurs, dans 17 écosystèmes continentaux et 2 colonnes d'eau marines pour comparer la diversité dans différents milieux, ainsi qu'à l'aide du pyroséquençage de ce même marqueur dans 4 mares et 1 ru au cours d'un suivi mensuel sur 2 ans. La diversité des haptophytes était moindre en eau douce qu'en milieu marin, mais nous avons pu y détecter un nouveau groupe, divergeant au sein des Isochrysidales, présentant une saisonnalité marquée. Les phylotypes d'eau douce étaient majoritairement distincts de ceux détectés en milieu marin, et ont confirmé l'existence de plusieurs transitions marin/eau douce dans l'histoire des haptophytes. Dans un second temps, nous avons exploré par pyroséquençage 454 des ADNr 18S la diversité des micro-organismes eucaryotes dans 4 mares et 1 ru, échantillonnés au printemps, et différant par leur taille, leur forme et leur environnement proche. Nous avons détecté une grande diversité dans chaque système étudié, avec des séquences affiliées à tous les supergroupes reconnus (Archaeplastida, Stramenopiles, Alveolata, Rhizaria, Excavata, Amoebozoa et Opisthokonta), ainsi qu'à des taxa de position phylogénétique mal résolue (i.e. Cryptophyta, Haptophyta, Centroheliozoa Katablepharida). Notamment, certaines OTU étaient affiliées au groupe MAST-3 (MArine STramenopiles) jusque-là considéré comme exclusivement marin. Les communautés de petits eucaryotes étaient différentes dans chacun des écosystèmes ; ces différences ne corrélaient pas avec les distances géographiques entre sites (test de Mantel), et des analyses multivariées n'ont pas mis en évidence de relation claire entre la distribution d'un groupe et un paramètre environnemental. Par la suite, nous avons suivi la diversité des eucaryotes microbiens sur 2 ans dans les mêmes 5 écosystèmes. Nous avons collecté des échantillons de plancton et mesuré différents paramètres physico-chimiques chaque mois, sauf pour 2 des écosystèmes lorsqu'ils étaient à sec. La diversité détectée sur 2 ans était bien plus grande que celle identifiée lors de l'étude ponctuelle. Cryptophytes, ciliés, chrysophytes et champignons stricto sensu étaient globalement les plus abondants. La composition et la structure des communautés différaient d'un écosystème à l'autre sur l'ensemble du suivi. Ces communautés étaient très dynamiques, et montraient une saisonnalité claire. La distribution spatio-temporelle des champignons sensu stricto était clairement corrélée aux hautes valeurs de conductivité. Enfin, nous avons décrit la dynamique des communautés de petits eucaryotes dans l'une des mares et le ru lors d'épisodes de sécheresse. Nous avons collecté du sédiment dans le lit asséché des écosystèmes lors des sécheresses, et du plancton le reste du temps. Les communautés du sédiment présentaient une signature différente des assemblages planctoniques. Ces derniers montraient une résilience élevée, et retrouvaient une signature planctonique moins d'un mois après que les écosystèmes soient de nouveau en eau.

The diversity of very small eukaryotes (<5 µm) has mainly been studied by molecular methods in marine systems or in large lakes. However, that of small shallow systems remains practically unexplored, despite the fact that these systems are extensive and ecologically important in temperate regions. We thus aimed at describing the diversity and community composition of small eukaryotes in shallow freshwater systems, using molecular methods targeting the 18S rRNA gene of planktonic cells in the 0.2-5 µm size range. We first focused on haptophytes, an important group in marine environments but much less known in freshwaters. We explored their diversity using newly designed specific primers to amplify haptophyte 18S rRNA genes, followed by their subsequent cloning and Sanger sequencing in seventeen continental ecosystems and in two marine water columns to allow comparisons between different environments, as well as using 454-pyrosequencing in 4 ponds and one brook during a 2-years monthly survey. Even if freshwater haptophytes were less diverse than marine lineages, we revealed the presence of a divergent lineage belonging to the Isochrysidales never recorded so far, which presented a marked seasonality. Freshwater phylotypes were usually distinct from their marine counterparts, and confirmed the occurrence of multiple marine–freshwater transitions in haptophyte evolution. In a second step, we explored the microbial eukaryote diversity in 5 distinct shallow ecosystems sampled at spring and that differ in size, shape and surrounding environment, by 454-pyrosequencing their 18S rDNA. Diversity was high in the studied systems, with sequences affiliated to the 7 recognized eukaryotic supergroups (Archaeplastida, Stramenopiles, Alveolata, Rhizaria, Excavata, Amoebozoa and Opisthokonta) as well as groups of unresolved phylogenetic position including, among others, Cryptophyta, Haptophyta, Centroheliozoa or Katablepharida. Especially, we detected OTUs affiliated to the previously thought exclusively marine lineage MAST-3 (MArine STramenopiles), and potentially to other MAST groups with no known representative from freshwaters. Small eukaryote community structures were different in the five ecosystems. Differences in community compositions did not correlate with geographical distances (Mantel test), and multivariate statistical analyses did not reveal clear relationships between any group distribution and specific environmental parameters. Then, we conducted a 2-years survey of eukaryotic micro-organisms diversity in the same 5 small ecosystems. To do so, we collected plankton and measured several physical and chemical parameters on a monthly basis, except for two systems when they were totally dry. The total diversity encountered during the 24 months was much broader than that identified in the previous snapshot study. The most abundant detected groups were Cryptophytes, Ciliates, Chrysophytes and Fungi sensu stricto. Community structures and compositions were different in the five systems along the two years. In all systems, communities were highly dynamic, and revealed a marked seasonality, notably with summer and winter communities being always distinct. Multivariate statistical analyses were used to analyze simultaneously physico-chemical data and community compositions. The clearest correlation associated fungi distribution and high conductivity. Finally, we described the dynamics of small-eukaryote communities in a pond and a brook through drought events. We collected sediment on the system beds when they were dry, and plankton the rest of time. Communities in the sediment and in the water presented distinct signatures. Surface water communities presented (a high) resilience, and recovered a planktonic signature within a month after the systems were filled up again with water.