Unveiling microbial communities along the polyextreme physicochemical gradients of Dallol and its surroundings (Danakil depression, Afar region, Ethiopia)

par Jodie Belilla

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Purificación López-García.

Le président du jury était Bénédicte Ménez.

Le jury était composé de Tamara Basta-Le Berre, Philippe Oger, François Guyot.

Les rapporteurs étaient Tamara Basta-Le Berre, Philippe Oger, François Guyot.

  • Titre traduit

    Exploration des communautés microbiennes le long des gradients physicochimiques poly-extrêmes de Dallol et de ses environs (dépression de Danakil, région Afar, Ethiopie)


  • Résumé

    Parmi toute la diversité microbienne des trois domaines du vivant, une fraction des microorganismes (en particulier certaines Archées) s’est adaptée aux conditions les plus extrêmes. La plupart des environnements extrêmes se caractérisant par de multiples facteurs de stress, une partie des extrêmophiles sont en réalité polyextrêmophiles. Néanmoins, il n’y a pas de microorganismes connus adaptés simultanément à un pH très faible (<1.5) ainsi qu’une très forte salinité (et éventuellement une forte température). Soit il n'existe pas d'adaptations moléculaires capables de supporter certaines combinaisons de pH et de salinité, soit ces incertitudes sont liées au fait que les environnements hyperacides et hypersalés (et chauds) sont rares et inexplorés.Le désert de sel de la dépression de Danakil en Ethiopie se situe à la confluence de trois plaques tectoniques dans le rift Est Africain. Au milieu de cette zone géologiquement active, le dôme géothermal de Dallol et ses environs offrent une rare combinaison de paramètres physicochimiques, alliant forts taux de sels (20 à 78%, riches en Mg2+/Ca2+ ou en Na+(/Fe2+/3+)) et des pH neutres à négatifs (~6 à -1.5). Par conséquent, l'ensemble de ces sites constituent un bon modèle pour étudier les communautés microbiennes le long de ces gradients rares et uniques. Au cours des quatre dernières années, nous avons collecté 235 échantillons au niveau des différents sites de Dallol et ses alentours. Des mesures physicochimiques in situ et ex situ nous ont permis de caractériser chaque environnement et d’estimer son habitabilité théorique. Nous avons ensuite procédé à la purification d’ADN des échantillons amplifié et séquencé des gènes d'ARNr 16S/18S afin de caractériser la diversité microbienne que nous avons comparé à des bases de données et classées phylogénétiquement. Nous avons également complété notre étude par des analyses/observations au cytomètre de flux au microscope (optique, électronique à balayage et confocal).Les environnements hypersalés (~30% de NaCl) et légèrement acides (pH 4-6) ont montré une diversité de microorganismes très élevée, dominée par les Archées (80% du total des séquences) en particulier des phyla Halobacteria et Nanohaloarchaeota, fréquemment associés dans les milieux hypersalés. Nous avons pu constater que l’augmentation de l’acidité et la salinité s’accompagnait de l’augmentation de la proportion d’Archées (en particulier de Nanohaloarchaeota). Une meilleure adaptation des archées halophiles par rapport aux bactéries pourrait expliquer leur prévalence. Quant aux nanohaloarchées, leur augmentation pourrait être lié à leur rôle suspecté d’ectosymbiontes d’haloarchées : dans le cas d’une relation mutualiste, ils pourraient favoriser l’adaptation de leur hôte aux conditions plus extrêmes ; dans le cas d’une relation parasitaire, des conditions environnementales plus difficiles pour l’hôte pourrait favoriser le parasitisme. Aucune trace de vie microbienne n'a été trouvée dans les environnements les plus polyextrêmes (salinité 20-78%, pH -1 à 3). Pour certains sites, nous interprétons que les valeurs de chaotropicité, d'activité de l'eau et de force ionique liés à la composition et concentration de sels (minimum 50%, riches en Mg2+/Ca2+) sont limitantes pour la vie microbienne. Pour d'autres, comme le dôme de Dallol, il pourrait s'agir de la combinaison d'hypersalinité et d'hyperacidité (pH~0) qui le rendent inhospitalier, sans exclure d’éventuels composés chimiques stérilisateurs. Les environnements avec une biomasse faible ou absente étant sensibles à la biocontamination, nous avons tâché d’estimer l’impact de cette biocontamination sur l’étude des sites multi-extrême de Dallol et de ses environs. Nous proposons ainsi un protocole rigoureux, basé sur l’utilisation d’analyses croisées et de témoins positifs/négatifs dans toutes nos expériences afin de séparer l’ADN endogène et exogène, et de distinguer les cellules des biomorphes abiotiques dans nos échantillons.


  • Résumé

    From the vast microbial diversity of the three domains of life, a fraction of microorganisms (in particular some Archaea) have adapted to the most extreme conditions. Since most extreme environments are characterised by multiple stress factors (e.g. hot and acidic hydrothermal springs, saline and alkaline lakes, etc.), some extremophiles are in fact polyextremophiles. Nevertheless, there is no microorganism known to be adapted simultaneously to a very low pH (<1) and high salinity (and possibly high temperature). Either there are no molecular adaptations capable of withstanding certain combinations of pH and salinity, or this absence is related to the rarity of hyperacidic and hypersaline (and hot) environments, leaving them unexplored.The salt desert of the Danakil Depression (Afar region) in Ethiopia lies at the confluence of three tectonic plates in the East African Rift. In the middle of this geologically active zone, the Dallol geothermal dome and its surroundings offer a rare combination of physicochemical parameters, with high salt levels (20 to 78%, rich in Mg2+/Ca2+ or Na+(/Fe2+/3+)) and neutral to negative pH values (~6 to -1.5). Therefore, these sites provide a good model for studying microbial communities along these rare and unique parameter gradients. Over the last four years, we have collected 235 samples (solids, liquids, plankton biomass) from the different sites in and around the Dallol dome. In situ and ex situ physicochemical measurements have enabled us to characterise each environment and estimate its theoretical habitability based on previously known life-limiting conditions. We then proceeded to DNA purification of the samples and amplified and sequenced 16S/18S rRNA genes in order to characterize the microbial diversity, which we compared with databases and classified phylogenetically. We also completed our study by using a flow cytometer (for multiparametric analysis), and microscope observations (optical, scanning electron and confocal laser scanning).Hypersaline (~30% salts, dominated by NaCl) and slightly acidic (pH 4-6) environments showed a very high diversity of microorganisms, dominated by Archaea (at least 80% of the total sequences) in particular Halobacteria and Nanohaloarchaeota, frequently associated in hypersaline environments. We observed that the increase in acidity and salinity was associated with an increase in the proportion of Archaea (especially Nanohaloarchaeota). A better adaptation of halophilic archaea compared to bacteria could explain their prevalence. Concerning nanohaloarchaea, their higher proportion could be linked to their suspected role as haloarchaea ectosymbionts: in the case of a mutualistic relationship, their association could favour the adaptation to more extreme conditions; in the case of a parasitic relationship, the rise of acidity and salinity may weaken the host and increase the parasite prevalence. No trace of microbial life has been found in the most polyextreme environments (salinity 20-78%, pH -1 to 3). For some sites, we interpret that the chaotropicity, water activity and ionic strength values related to the composition and concentration of salts (minimum 50%, rich in Mg2+/Ca2+) are limiting for microbial life. For others, such as the Dallol dome, it could be the combination of hypersalinity and hyperacidity (pH~0) that make it inhospitable, without excluding the possible presence of sterilising chemical compounds. As environments with low or absent biomass are sensitive to biocontamination (local or laboratory), we have also tried to estimate the impact of this biocontamination on the study of the multi-extreme sites of Dallol and its surroundings. We thus propose a rigorous protocol, based on the use of cross-analyses and positive/negative controls in all our experiments in order to separate endogenous and exogenous DNA, and to distinguish cells from abiotic mineral biomorphs in our samples.


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