Dynamique de la diversité microbienne dans la grotte de Lascaux

Dynamic of microbial diversity in Lascaux Cave

• Auteur / Autrice : Zélia Bontemps
• Direction : Yvan Moënne-Loccoz, Mylène Hugoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie Microbienne (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Verónica Rodriguez-Nava
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Di Martino, Stéphane Uroz, Emmanuelle Gérard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Di Martino, Stéphane Uroz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conservation

Détérioration

Grottes

Lascaux, Grotte de (Dordogne)

Écologie microbienne

Mots clés libres

Grotte de Lascaux

Perturbation

Altérations des parois

Successions microbiennes

Potentiel fonctionnel

Mélanines

MAGs

Lascaux Cave

Disturbance

Cave alterations

Microbial successions

Functional potential

Melanins

MAGs

Résumé

Les grottes paléolithiques attirent un million de touristes par an, faisant d’elles des milieux fortement anthropisés. L’anthropisation de la grotte de Lascaux, célèbre pour son art pariétale, à entrainé un déséquilibre du microbiote de la grotte et une prolifération anormale de certains microorganismes. Aujourd’hui deux types d’altérations microbiennes (taches noires et zones sombres) sur les parois de la grotte sont des menaces pour sa conservation. L’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les dynamiques des communautés microbiennes des trois domaines du vivant, au niveau des altérations (taches noires et zones sombres) présentes sur les parois de la grotte de Lascaux. Il s’agissait notamment d’identifier les communautés microbiennes de la grotte à différentes échelles spatio-temporelles et de comprendre les dynamiques de la diversité microbienne lors de la formation, l’évolution et la dissémination des altérations en utilisant le séquençage à haut débit d’acides nucléiques par des approches ciblées (métabarcoding MiSeq) et non ciblées (métagénomique shotgun). Ces recherches visaient à tester quatre hypothèses : (i) la formation et l’évolution des zones sombres seraient liées à des successions microbiennes rapides car les zones altérées et zones saines sont visuellement très différentes, sans zone de transition apparente, (ii) au moins une partie des changements de la communauté microbienne liés à la formation de zone sombre implique des taxons cosmopolites à l’échelle de la grotte, mais aussi des taxons endémiques conformément aux spécificités du microbiote des différentes pièces ou surfaces, (iii) les dynamiques de régression et de repousse de certaines taches noires seraient liées à des successions microbiennes particulières, et (iv) les taches noires étant attribuées à l’activité des champignons pigmentés, la synthèse de pigments concernerait des taxons spécialistes des conditions environnementales particulières correspondant aux altérations. Nos recherches ont montré, premièrement, que la formation des zones sombres implique un change- ment brutal de la communauté microbienne impliquant une seule zone de transition en bordure de zone altérée. Deuxièmement, les zones sombres présentent un mélange de taxons cosmopolites des altérations et de taxons endémiques à chaque endroit de Lascaux, suggérant que la propagation de ces altérations pourrait se poursuivre en fonction de la zone de distribution des taxons cosmopolites. Troisièmement, le nettoyage mécanique des taches noires a mis en évidence des taxons spécifiques liés à la recolonisation des zones altérées sur les parois, tandis que l’atténuation des taches noires (uniquement dans le Cabinet des Félins) est probablement liée à la sélection déterministe de taxons de la biosphère rare. Quatrièmement, le potentiel génétique analysé pour les deux types d’altérations a mis en évidence (i) un lien possible entre la dégradation du chlorure de benzalkonium (biocide utilisé à Lascaux) et la biosynthèse de pigments, et (ii) la présence de voies métaboliques de synthèse de mélanine et de caroténoïdes dans les communautés des deux types d’altérations, chez les bactéries et les microeucaryotes. Ce projet a caractérisé l’impact de la perturbation anthropique sur la diversité, la structure, la com- position et le potentiel génétique des communautés microbiennes de la grotte de Lascaux. Il a permis de mieux comprendre les dynamiques microbiennes associées à la formation, l’évolution et la dissémination des altérations apportant de nouvelles connaissances pour mieux guider les stratégies de conservation de ce site paléolithique emblématique.

Paleolithic caves attract a million tourists per year, making them highly anthropized environments. The anthropization of Lascaux Cave, famous for its parietal art, has led to an imbalance in the microbiota of the cave and abnormal proliferation of certain microorganisms. Today two types of microbial alterations (black stains and dark zones) on cave walls are threats to its conservation. The general objective of this thesis was to better understand the dynamics of the microbial communities of the three domains of life at the level of the alterations (black stains and dark zones) present on the walls of Lascaux Cave. The aim was to identify the microbial communities of the cave at different spatio- temporal scales and to understand the dynamics of microbial diversity during the formation, evolution and dissemination of the alterations using high-throughput nucleic acid sequencing targeted (MiSeq metabarcoding) and non-targeted (shotgun metagenomics) approaches. This research aimed at testing four hypotheses : (i) the formation and evolution of dark zones would be related to rapid microbial successions because altered and unaltered zones are visually very different, with no apparent transition zone, (ii) at least part of the changes in the microbial community related to dark zone formation involve cosmopolitan taxa (at cave level), but also endemic taxa in accordance with the specificities of the microbiota of the different rooms or surfaces, (iii) the dynamics of regression or regrowth of certain black stains would be linked to particular microbial successions, and (iv) the alterations being attributed to the activity of pigmented fungi, the synthesis of pigments would concern taxa specializing in particular environmental conditions corresponding to the alterations. Our research has shown firstly that the formation of the dark zones involves a brutal change in the microbial community, with a single transition zone at the edge of the altered zone. Secondly, the dark zones show a set-up of cosmopolitan taxa from the alterations and endemic taxa to each location in Lascaux Cave, suggesting that the spread of these alterations could continue depending on the area of distribution of cosmopolitan taxa. Thirdly, the mechanical cleaning of black stains revealed specific taxa during the recolonization of the wall surfaces, while the attenuation of black stains (only in the Chamber of Felines) is probably related to the deterministic selection of the rare biosphere taxa. Fourthly, the genetic potential analyzed for both types of alterations revealed (i) a possible link between the degradation of benzalkonium chloride (biocide used at Lascaux) and pigment biosynthesis, and (ii) the presence of metabolic pathways for melanin and carotenoid synthesis in communities of both types of alterations, in bacteria and microeukaryotes. This project characterized the impact of anthropogenic disturbance on the diversity, structure, composition and genetic potential of microbial communities in Lascaux Cave. It allows us to better understand the microbial dynamics associated with the formation, evolution and dissemination of alterations, providing new knowledge to better guide the conservation strategies of this iconic Paleolithic site.