Biofilms aquatiques : capteurs de l'ADN environnemental et révélateurs de la biodiversité des milieux aquatiques

Aquatic biofilms: environmental DNA samplers and revealers of biodiversity in aquatic ecosystems

• Auteur / Autrice : Sinziana Rivera rocabado
• Direction : Agnès Bouchez, Frédéric Rimet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biodiversité, écologie, environnement
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CARRTEL - Centre Alpin de Recherche sur les réseaux Trophiques et les Ecosystèmes Limniques
• Jury : Président / Présidente : Christine Argillier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Bouchez, Frédéric Rimet, Serena Rasconi, Jean-François Briand, Carlos Wetzel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Briand, Carlos Wetzel

Mots clés

Mots clés libres

Biodiversité

Biofilms

ADN environnemental

Capteur passif

Macroinvertébrés

Poissons

Biodiversity

Biofilms

Environmental DNA

Passive samplers

Macroinvertebrates

Fish

Résumé

L'évaluation de la biodiversité est essentielle pour la gestion de l'environnement. Dans les milieux d'eau douce, la diversité des algues (diatomées), des macroinvertébrés (insectes, mollusques, crustacés) et des poissons sont plus particulièrement étudiées car ces organismes présentent d'excellentes propriétés bioindicatrices. Afin de produire des inventaires d'espèces, ces organismes sont échantillonnés, identifiés et comptabilisés par des méthodes de taxonomie classique réalisée par de rares spécialistes dont la charge de travail n'est pas extensible. Ces méthodes sont par ailleurs invasives puisqu'elles détruisent les individus (macroinvertébrés, poissons). Une méthode alternative, le metabarcoding, qui s'est développée dans la dernière décennie repose sur la présence de l'ADN des organismes dans leur milieu naturel, ou ADN environnemental (ADNe). Le metabarcoding, permet d'identifier l'ensemble des individus d'un échantillon grâce à l'amplification d'un court fragment d'ADN (barcode). Des séquenceurs haut-débit sont utilisés pour séquencer rapidement et à bas coût un grand nombre d'échantillons. L'identification par metabarcoding est réalisée sur des matrices environnementales différentes pour chaque groupe d'organisme : l'eau pour les poissons, les macroinvertébrés capturés au filet ou les biofilms pour les diatomées. Des études récentes suggèrent que les biofilms pourraient capturer l'ADN libéré par différents organismes présents dans le milieu. L'objectif de ce travail de thèse a été de tester une stratégie simplifiée d'échantillonnage pour étudier la diversité des macroinvertébrés et des poissons par metabarcoding à partir des biofilms aquatiques. Le séquençage d'un seul type de matrice (ici le biofilm) permettrait un gain de temps lors du prélèvement et de l'analyse, tout en limitant l'aspect invasif du suivi. Dans un premier temps, la capacité des biofilms aquatiques à capturer l'ADNe a été évaluée pour les macroinvertébrés issus de rivières d'une île tropicale (Mayotte). Un signal ADN de ces organismes a bien été détecté dans cette matrice environnementale. La diversité et la structure des communautés de macroinvertébrés résultant de l'analyse des échantillons de biofilms étaient comparables à celles obtenues avec l'approche traditionnelle. Cependant des biais méthodologiques et biologiques ont empêché d'obtenir des inventaires taxonomiques détaillés pour ces organismes à partir des biofilms. Dans un deuxième temps, des comparaisons entre inventaires de poissons obtenus à partir d'ADN extrait d'échantillons d'eau et de biofilms ont été réalisées en zone littorale lacustre (lac Léman). Elles ont démontré la capacité des biofilms aquatiques à capturer l'ADNe de poissons. Les aspects méthodologiques à prendre en compte pour identifier les poissons par metabarcoding à partir des biofilms aquatiques ont été définis. Finalement, le signal ADNe des poissons présents dans les biofilms aquatiques a été utilisé pour étudier avec succès la variabilité spatio-temporelle de la communauté de poissons dans la zone littorale du lac Léman. Cette dernière étude montre l'intérêt d'utiliser des biofilms aquatiques dont le temps d'intégration du signal ADNe peut être maitrisé en utilisant des biofilms se développant sur des substrats artificiels dont la durée de colonisation est connue. Ce type de contrôle n'étant pas possible avec des échantillons d'eau. Ces travaux montrent que les biofilms aquatiques agissent comme capteurs passifs de l'ADNe et permettent d'avoir une bonne image de la composition et de la structure des communautés de poissons et de macroinvertébrés. Cependant d'autres travaux devront être réalisés afin de mieux comprendre les mécanismes de capture de l'ADNe par cette matrice avant d'envisager une application en routine et éventuellement, détecter des organismes autres que les poissons et les macroinvertébrés présents dans les milieux aquatiques (ex. mammifères, oiseaux).

Biodiversity assessment is essential for environmental management. In freshwater ecosystems, the diversity of algae (diatoms), macroinvertebrates (insects, mollusks, crustaceans) and fish is particularly studied because these organisms have been highlighted as excellent bioindicators. In order to produce species inventories, these organisms are sampled and then identified and counted using classical taxonomic methods which are carried out by rare specialists whose workload is not extensible. Furthermore, these methods are invasive since specimens are destroyed (macroinvertebrates, fish). An alternative method developed in the last decade, metabarcoding, is based on the presence of the DNA released by the organisms in their natural environment, or environmental DNA (eDNA). Metabarcoding enables the identification of many taxa within a sample through the amplification of a short DNA fragment (barcode). High throughput sequencers allow sequencing large number of samples faster and at a low cost. Identification by metabarcoding is performed on environmental matrices close to those traditionally sampled for each organism: water for fish, macroinvertebrates specimens or biofilms for diatoms. Recent studies suggest that biofilms may capture DNA released by different organisms in the environment. The objective of this thesis was to test a simplified DNA sampling strategy to study macroinvertebrate and fish diversity through metabarcoding from aquatic biofilms. The sequencing of a single matrix (here the biofilm) would save sampling and analysis time, while limiting the invasive aspect of the monitoring. First, the capacity of aquatic biofilms to capture macroinvertebrate DNA was explored on rivers of a tropical island (Mayotte). A macroinvertebrate DNA signal was detected in this environmental matrix. Macroinvertebrates' diversity and community structure resulting from the analysis of biofilm samples were comparable to those obtained with the traditional approach. However, detailed taxonomic inventories could not be obtained from biofilm samples because of methodological and biological biases. In a second step, the capacity of aquatic biofilms to entrap fish eDNA in a large lake, Lake Geneva, was demonstrated by comparing fish inventories obtained from DNA extracted from filtered water samples and from biofilms. Furthermore, methodological aspects of the use of aquatic biofilms for fish eDNA metabarcoding were defined. Finally, fish DNA signal present in aquatic biofilms allowed to study spatial and temporal changes of fish communities at the littoral zone of Lake Geneva. This last study highlights the interest in using aquatic biofilms because this approach allows to know the integration time of the eDNA signal captured on biofilm samples by the use of biofilms developing on artificial substrates for which the colonization time is known. This is not possible with water samples. This work shows that aquatic biofilms act as passive eDNA samplers and that they provide a good image of the structure and composition of fish and macroinvertebrate communities. However, before the application of this approach for macroinvertebrates and fish diversity monitoring programs further studies are still needed to better understand the capture mechanisms of the eDNA by this matrix. Finally, this matrix could also be used for detecting more organisms present in aquatic environments other than fish and macroinvertebrates (e.g. mammals, birds).