Rythmes annuels des communautés microbiennes et de leurs fonctions métaboliques sur 7 ans dans un site côtier méditerranéen (SOLA) : focus sur les métabolismes des vitamines B1 et B12

Long term seasonality of microbial vitamin B1 and B12 metabolisms and their potential interplay in the Northwestern Mediterranean Sea

• Auteur / Autrice : Maxime Beauvais
• Direction : François-Yves Bouget, Pierre E. Galand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie microbienne (Banyuls-sur-Mer, Pyrénées-Orientales ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Joux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ramiro Logares
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laura Gomez-Consarnau, Eric Fouilland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méditerranée (mer ; nord-ouest)

Facteurs biotiques

Vitamines B

Métagénomique

Séries chronologiques

Mots clés libres

Série temporelle

Metagénomique

Communautés fonctionnelles

Vitamines B1 & B12

Interactions biotiques

Timeseries

Metagenomic

Functional communites

B1 & B12 vitamins

Biotic interactions

Résumé

L'environnement façonne les communautés microbiennes qui dirigent les cycles biogéochimiques des océans, mais les facteurs biotiques sont également d’important déterminants dans la structure des communautés. Ces systèmes dynamiques sont composés d'espèces cooccurrentes structurées dans un réseau complexe d'interactions entre organismes et avec leur environnement. Les vitamines B1 et B12 sont des cofacteurs essentiels mais la plupart des microbes marins incluant de nombreuses espèces de phytoplancton, ne peuvent pas les produire eux-mêmes (auxotrophes aux vitamines). De plus, les vitamines B1 et B12 sont rares dans l’océan. Ensemble, ces observations soulèvent la question suivante : comment les auxotrophes assurent-ils leurs besoins en vitamines dans l’océan ? Cette question reste en grande partie sans réponse car la saisonnalité des auxotrophes et leur interaction avec les producteurs de vitamines restent peu étudiées. Pour combler ces lacunes, nous avons réalisé une série temporelle métagénomique mensuelle sur 7 ans dans un site côtier de Méditerranée Nord-Ouest (station SOLA) afin d'évaluer la saisonnalité à long terme des communautés procaryotes, en se focalisant sur les métabolismes des vitamines B1 et B12 et leur interaction potentielle au cours des saisons. Tout d'abord, nous avons mis en évidence une succession saisonnière de différents organismes pouvant utiliser des voies distinctes pour produire de la B12 tout au long de l'année. En été, les bactéries du genre HIMB11, UBA8309 et Puniceispirillum peuvent utiliser la voie de production aérobie, tandis qu'en hiver, les archées du genre Nitrosopumilus et Nitrosopelagicus peuvent utiliser la voie de production anaérobie. Ensuite, nous avons montré que lors de perturbations environnementales, les organismes habituellement porteurs de gènes de synthèse de la B12 sont remplacés par d'autres porteurs du même gène (redondance fonctionnelle), maintenant ainsi le potentiel de production de B12. Cette assurance écologique pourrait contribuer à la résilience fonctionnelle à long terme des communautés microbiennes marines exposées à des conditions environnementales interannuelles contrastées. Deuxièmement, nous avons montré que les communautés procaryotes à SOLA étaient dominées par des auxotrophes HMP (Pelagibacter), dont l'abondance était plus élevée en été avec d’autre auxotrophes plus rares (doubles HET/HMP, comme HIMB59), et par des auxotrophes B1 (HIMB11), qui étaient présents tout au long de l'année. À SOLA, nous avons rapporté une plus grande contribution des producteurs de B1 que précédemment observé dans d'autres régions, incluant des bactéries (Pseudothioglobus, MB11C04), des cyanobactéries (Synechococcus) et des archées (Nitrosopumilus). Les expériences de bio-essais ont montré de multiples périodes de limitation en vitamines et précurseurs dans l'eau de mer pendant les mois d'hiver. En outre, l'ajout de vitamines et de précurseurs a eu un impact significatif sur la structure de la communauté procaryote dans nos microcosmes, en particulier en Février. Différents ASV ont été sélectivement favorisés par différentes conditions pendant la transition hiver/printemps. Cependant, la réponse des communautés reste difficile à démêler sachant que les auxotrophes et les prototrophes sont impactés par l’ajout de vitamines/précurseurs. Enfin, grâce à l’assemblage de MAGs et en identifiant leurs potentiels de production pour la B1 et la B12, nous avons montré des schémas de cooccurrence forts et récurrents entre les auxotrophes et les producteurs de vitamines, reflétant différentes complémentarités fonctionnelles potentielles en fonction des saisons. La double complémentarité pour la B1 et la B12 était prédominante dans le réseau de cooccurrence d’été (un auxotrophe B1/B12 avec un prototrophe B1/B12), tandis que la simple complémentarité pour la B1 ou la B12 était prédominante dans les cooccurrences d'hiver (un auxotrophe B1/producteur de B12 avec un producteur de B1/auxotrophe B12).

The environment shapes marine microbial assemblages that drive ocean biogeochemical cycles, but biotic interactions are also strong community structuring factors. Marine microbial communities are dynamic systems of co-occurring species structured as a complex network of interactions, including microbe to environment and microbe to microbe connections. B-vitamins are essential cofactors of critical cellular processes, and most marine microbes, including many phytoplankton species require an exogenous source of vitamins or precursors to grow (i.e., vitamin or precursor auxotrophs). Despite their ecological importance, B1 and B12 are scarce in most oceanic and coastal regions. Together, the widespread vitamin scarcity observed in oceans and the high incidence of vitamin auxotrophy raises the question of how vitamin auxotrophs ensure their vitamin requirements in a large and diluted environment? This question remains largely unanswered as the seasonality of vitamin auxotrophs and their interplay with vitamin producers remain poorly studied. To tackle these knowledge gaps, we conducted a 7 years monthly metagenomic time series in the coastal NW Mediterranean Sea (SOLA station) to assess the long-term seasonality of planktonic prokaryotic communities, with a focus on B1 and B12 metabolisms and their potential interplay over time.First, we highlighted a seasonal succession of different organisms which could use distinct biosynthesis pathways to produce B12 de-novo along the year. In summer, bacteria belonging to the genera HIMB11, UBA8309 and Puniceispirillum could use the aerobic B12 production pathway, while in winter, Thaumarchaeota belonging to Nitrosopumilus and Nitrosopelagicus genera could use the anaerobic B12 production pathway. Then, we show that during irregular environmental perturbations observed in winter at SOLA station, organisms usually carrying B12 synthesis genes are replaced by others with the same gene (i.e., functional redundancy), thus maintaining the potential for B12 production. Such ecological insurance could contribute to the long-term functional resilience of marine microbial communities exposed to contrasting inter-annual environmental conditions. Secondly, we showed that SOLA prokaryotic communities were dominated by HMP auxotrophs (Pelagibacter, AAA536-G10, Litoricola), which had higher abundances in summer together with the rarer dual HET/HMP auxotrophs (HIMB59, HIMB100, Octadecabacter), and by B1 auxotrophs (HIMB11, Puniceispirillum), which were present throughout the year. At SOLA, we reported a larger contribution of B1 producers than previously reported in other regions, including bacteria (Pseudothioglobus, MB11C04), cyanobacteria (Synechococcus, Prochlorococcus) and archaea (Nitrosopumilus, Nitrosopelagicus). Bioassays experiments using showed multiple vitamin and precursor limitations periods in SOLA seawater during winter months. Moreover, the addition of vitamins and precursors had a significant impact on prokaryotic community structure in our microcosm’s experiments, especially in February. Different ASVs were selectively promoted by different conditions during the winter/spring transition (B12, H+C and B1+B12). However, the differential response of communities remains difficult to disentangle, given that both vitamin auxotrophs and prototrophs were promoted during our incubations. Finally, by assembling high-quality metagenome assembled genomes (MAGs) and identifying their B1 and B12 lifestyles, we highlight strong and recurrent co-occurrence patterns between vitamin auxotrophs and producers reflecting different potential functional complementarities between them depending on the season. Double complementarity for B1 and for B12 was prevalent in summer co-occurrences networks (e.g., B1/B12 auxotroph co-occur with B1/B12 prototroph), while simple complementarity for B1 or B12 was prevalent in winter co-occurrences (e.g., B1 auxotroph / B12 producer co-occur with B1 producer/B12 auxotroph).