Vers une meilleure compréhension de la biodiversité multi-trophique du sol grâce à l'utilisation du métabarcodage de l'ADN environnemental

Towards a better understanding of soil multi-trophic biodiversity through the use of environmental DNA metabarcoding

• Auteur / Autrice : Irene Calderon Sanou
• Direction : Wilfried Thuiller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 20/06/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie alpine (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : François Julien Munoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfried Thuiller, Nathalie Fromin, Éric Coissac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Buée, Jérôme Chave

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabarcoding

ADN environnemental

Écologie -- Réseaux d'interactions

Mots clés libres

Patrons de biodiversité

ADN environnemental

Metabarcoding

Réseaux d'interaction

Biodiversity patterns

Environmental DNA

Metabarcoding

Food web

Résumé

Bien que les organismes du sol représentent un quart de la biodiversité totale de la planète, notre compréhension actuelle des principaux moteurs de la biodiversité du sol le long des gradients environnementaux est principalement limitée à un ensemble restreint de macro-organismes de surface. À la lumière des menaces mondiales croissantes qui pèsent sur les écosystèmes, l'inclusion des organismes du sol dans les études macroécologiques est cruciale pour améliorer les prévisions des réponses écologiques des écosystèmes terrestres aux changements globaux et pour soutenir leur conservation. En outre, les approches multitrophiques qui tiennent compte de plusieurs groupes d'organismes en interaction dans l'écosystème permettent une compréhension plus holistique de la biodiversité du sol et de ses moteurs.Dans ma thèse, j'ai cherché à mieux comprendre la réponse de la diversité multitrophique du sol aux changements environnementaux rapides à l'échelle régionale et locale, en combinant les données de métabarcodage de l'ADN environnemental du sol, les outils mathématiques et statistiques dérivés de la théorie des réseaux et l'écologie des réseaux alimentaires.La thèse est développée en quatre chapitres. Tout d'abord, parce que la plupart des analyses sont basées sur des données de métabarcodage de l'ADN environnemental, j'ai eu besoin de mieux comprendre les incertitudes associées à l'utilisation du métabarcodage de l'ADN environnemental dans les analyses empiriques. Dans le premier chapitre, j'ai montré que l'utilisation de la diversité de Shannon permettait d'obtenir des résultats plus fiables dans différentes analyses écologiques. J'ai ensuite proposé une feuille de route des étapes cruciales à inclure dans le nettoyage des données pour différents types d'analyses écologiques. Ensuite, à l'aide de données d'ADN environnemental du sol provenant de forêts de bouleaux subarctiques du nord de la Norvège, j'ai montré que l'effet des épidémies de papillons s'est propagé localement des communautés végétales à l'ensemble du réseau trophique du sol, créant un changement dans l'état de l'écosystème. Ensuite, j'ai étudié comment la diversité multitrophique du sol répondait aux gradients environnementaux en utilisant un observatoire de la biodiversité à grande échelle dans les Alpes françaises (chapitres 3 et 4). Dans le troisième chapitre, j'ai mené une analyse comparative entre les principaux groupes trophiques du sol pour évaluer les moteurs de la diversité du sol à la lumière d'hypothèses écologiques bien connues appliquées au contexte du sol. J'ai constaté que les hypothèses d’energie et de tolerance physiologique étaient particulièrement pertinentes pour prédire la variation spatiale de la biodiversité du sol. Enfin, dans le quatrième chapitre, j'ai décrit comment la structure et la composition des réseaux trophiques du sol variaient le long des gradients environnementaux et spaciaux et j'ai évalué les principaux moteurs de cette variation.Je pense que mon doctorat a ouvert de nouvelles voies de recherche dans la compréhension de la biodiversité multi-trophique des sols. Passer du niveau de l'espèce à une définition plus robuste des groupes trophiques et fonctionnels permet d'inclure davantage de groupes multiples et d'atteindre l'objectif ultime de comprendre la distribution et la composition de la biodiversité du sol dans son ensemble.

Although soil organisms represent one-quarter of the whole biodiversity on earth, our current understanding of the main drivers of soil biodiversity along environmental gradients is mostly restricted to a limited set of aboveground macro-organisms. In light of increasing global threats to ecosystems, the inclusion of soil organisms into macroecological studies is crucial to improve predictions of ecological responses of terrestrial ecosystems to global changes and support their conservation. Moreover, multitrophic approaches that account for multiple groups of interacting organisms in the ecosystem allow a more holistic understanding of soil biodiversity and its drivers.In my PhD, I aimed at getting a better understanding of the response of soil multitrophic diversity to rapid environmental changes at regional and local scales, by combining soil environmental DNA metabarcoding data, mathematical and statistical tools derived from network theory, and food web ecology.The thesis is developed in four chapters. First, because most of the analyses were based on eDNA metabarcoding data, I needed to gain a better understanding of the uncertainties associated with the use of eDNA metabarcoding in empirical analyses. In the first chapter, I showed that the use of Shannon diversity led to more reliable results from different ecological analyses. I then proposed a roadmap of crucial curation steps for different types of ecological analyses. Second, using eDNA soil data from subarctic birch forests of Northern Norway, I showed that the effect of severe moth outbreaks has cascaded locally from plant communities to the entire soil food web, creating a shift in the ecosystem state. Next, I studied how soil multitrophic diversity responded to environmental gradients using a large-scale biodiversity observatory in the French Alps (chapters 3 and 4). In the third chapter, I conducted a comparative analysis across major soil trophic groups to assess the drivers of soil diversity in the light of well known ecological hypotheses applied to the soil context. I found that the energy and physiological tolerance hypotheses were particularly relevant in predicting the spatial variation in soil biodiversity. Finally, in the fourth chapter, I described how soil food webs structure and composition varied along environmental gradients and in the function of human activities and assessed the main drivers of this variation.I believe my PhD has opened new research avenues in the understanding of multi-trophic soil biodiversity. Zooming out from the species level to a more robust definition of trophic and functional groups allows a larger inclusion of multiple groups and to reach the ultimate goal of understanding all-in-end soil biodiversity distribution and composition.