Assemblage des communautés microbiennes en milieux extrêmes : une étude transcontinentale dans des zones soumises à des émanations d'hydrogène.

Microbial community assembly under extreme environments: a transcontinental study in areas subjected to hydrogen fumes .

• Auteur / Autrice : Antoine Lafont
• Direction : Anthony Ranchou-peyruse, Cyrille Violle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physio biologie
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène naturel

Ecologie microbienne

Omics

Biomarqueur

Native hydrogen

Microbial Ecology

Omics

Biomarkers

Résumé

Les émanations d'hydrogène ont été décrites sur l'ensemble de la planète, le plus souvent en contextes géologiques intra-cratonique ou ophiolitique pour les systèmes continentaux. Elles restent pour autant étudiées principalement par les géologues, alors que les écologues bénéficieraient beaucoup de l'étude de milieux si contraints. L'écologie et l'évolution en milieux extrêmes (Merino et al. 2019) sont un front de recherche. Il est commun de considérer les extrêmes climatiques comme milieux emblématiques de ces « extrêmes », mais l'étude des milieux caractérisés par des émanations d'hydrogène pourrait s'avérer plus surprenante et prolifique. En effet, l'hydrogène peut être considéré comme une ressource qui va de fait modifier les interactions microbiennes et la composition des communautés microbiennes dans son ensemble. L'hydrogène peut être utilisé par les micro-organismes autotrophes, et est un donneur d'électron hautement énergétique, notamment lorsque cette espèce est associée à du SO42- ou du CO2. Les micro-organismes sont capables de consommer l'hydrogène via des mécanismes comme la méthanogenèse, la sulfato-réduction, l'(homo-)acétogénèse, et de le produire via la fermentation, l'oxydation anaérobie du méthane et la fixation de l'azote. Ces métabolismes peuvent être retrouvés dans de nombreux écosystèmes : terrestres ou aquatiques, de surface ou en profondeur (Ranchou-Peyruse et al., 2019). S'il devient trop abondant, il peut également devenir une contrainte physiologique pour les microorganismes. Enfin, il est impliqué dans l'ensemble des cycles biogéochimiques, notamment dans le cycle du carbone qu'il peut moduler, ce qui, en retour, modifiera, la communauté microbienne. De fait, un tel milieu fermé et extrêmement contraint représente un cas d'école unique pour l'écologie microbienne, et l'écologie des communautés plus généralement. Une étude transcontinentale permettrait de révéler des règles génériques à ces milieux. L'équipe d'accueil a identifié plusieurs sites caractéristiques de ces émanations à travers le monde. Préalablement à la thèse, un échantillonnage en Nouvelle-Calédonie a déjà été réalisé. Des sites au Brésil, en Oman, etc. ont été identifiés. Des campagnes de terrain ciblées sont prévues dans une partie de ces sites. Le.la doctorant.e participera à ces campagnes. Nous ferons également appel à des collaborateurs internationaux pour maximiser le nombre de prélèvements à travers le monde. Le.la doctorant.e aura pour rôle d'organiser ces campagnes, de collecter les échantillons et de caractériser les communautés microbiennes à partir d'approches métagénomiques, métatranscriptomiques et de PCR quantitatives. Les données obtenues seront analysées et discutées à la lumière des données physico-chimiques et des compositions en gaz présents sur les différents sites. Nous ferons appel aux concepts et méthodes de l'écologie des communautés pour révéler les règles d'assemblage qui ont façonné les communautés microbiennes observées. Des analyses de permutation sous R (« modèles nuls ») permettront de mettre en évidence les traits fonctionnels impliqués dans ces processus d'assemblage. Nous réfléchirons à un cadre mécaniste pour prendre en compte les boucles de rétroaction entre l'hydrogène, les communautés microbiennes et les cycles biogéochimiques. Les milieux extrêmes sont aujourd'hui un cas d'école pour l'écologie, comme l'a été la domestication pour l'évolution dans les travaux de Darwin. Nous chercherons à savoir si ces milieux extrêmes accueillent préférentiellement des espèces fonctionnellement rares, une question qui anime l'écologie fonctionnelle aujourd'hui (Violle et al. 2017). Selon l'intérêt du.de la doctorant.e et des premiers résultats, nous envisageons de compléter cette analyse empirique menée à l'échelle continentale par une étude expérimentale dans laquelle l'hydrogène et la composition des communautés microbiennes seraient entièrement contrôlés et suivis au cours du temps. Une telle approche permettrait à la fois de renforcer nos connaissances physiologiques et de consolider les relations causales mises en évidence par l'analyse empirique. Références : Adler, P. B., A. Fajardo, A. R. Kleinhesselink, and N. J. B. Kraft. 2013. Trait-based tests of coexistence mechanisms. Ecology Letters 16:1294–1306. Hubbell, S. P. 2001. The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography. Princeton University Press. Magnabosco, C., Lin, L-H., Dong, H., Bomberg, M., Ghiorse, W., Stan-Lotter, H., Pedersen, K., Kieft, T.L., van Heerden, E. and Onstott, T.C. 2018. The biomass and biodiversity of the continental subsurface. Nature Geoscience 11:707-717. Merino, N., Aronson, H.S., Bojanova, D.P., Feyhl-Buska, J., Wong, M.L., Zhang, S. and Giovannelli, D. 2019. Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Frontiers in Microbiology. 10:780. McGill, B. J., B. Enquist, E. Weiher, and M. Westoby. 2006. Rebuilding community ecology from functional traits. Trends in Ecology & Evolution 21:178–185. Nemergut, D. R., A. Shade, and C. Violle. 2014. When, where and how does microbial community composition matter? Frontiers in Microbiology 5:497. Prosser, J.I. 2015. Dispersing misconceptions and identifying opportunities for the use of 'omics' in soil microbial ecology. Nature Microbiology Reviews 13(7):439-46.

Hydrogen emanations have been described on the whole planet, most often in intra-cratonic or ophiolite geological contexts for continental systems. However, they remain mainly studied by geologists, whereas ecologists would greatly benefit from the study of such constrained environments. Ecology and evolution in extreme environments (Merino et al. 2019) are a research front. It is common to consider climatic extremes as environments emblematic of such 'extremes,' but the study of environments characterized by hydrogen emanations may be more surprising and prolific as we think. Indeed, hydrogen can be considered as a resource that will in fact modify microbial interactions and the composition of microbial communities as a whole. Hydrogen can be used by autotrophic microorganisms, and is a highly energetic electron donor, especially when this species is associated with SO42- or CO2. Microorganisms are able to consume hydrogen via mechanisms such as methanogenesis, sulfate reduction, (homo-)acetogenesis, and to produce it via fermentation, anaerobic methane oxidation and nitrogen fixation. These metabolisms can be found in many ecosystems: terrestrial or aquatic, surface or deep (Ranchou-Peyruse et al., 2019). If it becomes too abundant, it can also become a physiological constraint for microorganisms. Finally, it is involved in all biogeochemical cycles, particularly in the carbon cycle, which it can modulate, which in turn will modify, the microbial community. In fact, such a closed and extremely constrained environment represents a unique case study for microbial ecology, and community ecology more generally. A transcontinental study could reveal generic rules to these environments. The host team has identified several emanations' sites around the world. Prior to the thesis, a sampling in New Caledonia has already been carried out. Sites in Brazil, Oman, etc. have been identified. Targeted field campaigns are planned in some of these sites. The PhD student will participate in these campaigns. We will also made partnership with international collaborators to maximize the number of samples taken around the world. The PhD student will organize these campaigns, collect samples and characterize the microbial communities using metagenomic, metatranscriptomic and quantitative PCR approaches. The data obtained will be analyzed and discussed under the light of the physicochemical data and gas compositions of the different sites. We will use the concepts and methods of community ecology to reveal the assembly rules that shaped the observed microbial communities. Permutation analyses under R ('null models') will be used to characterised the functional traits involved in these assembly processes. We will consider a mechanistic framework to take into account the feedback loops between hydrogen, microbial communities and biogeochemical cycles. Extreme environments are today a textbook case for ecology, as domestication had been for evolution in Darwin's work. We will investigate whether these extreme environments preferentially host functionally rare species, a question that drives nowadays functional ecology (Violle et al. 2017). Depending on the interest of the PhD student and the initial results, we plan to complement this empirical analysis conducted at the continental scale with an experimental study in which the hydrogen and composition of microbial communities would be fully controlled and monitored. Such an approach would both strengthen our physiological knowledge and consolidate the causal relationships highlighted by the empirical analysis. References : Adler, P. B., A. Fajardo, A. R. Kleinhesselink, and N. J. B. Kraft. 2013. Trait-based tests of coexistence mechanisms. Ecology Letters 16:1294–1306. Hubbell, S. P. 2001. The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography. Princeton University Press. Magnabosco, C., Lin, L-H., Dong, H., Bomberg, M., Ghiorse, W., Stan-Lotter, H., Pedersen, K., Kieft, T.L., van Heerden, E. and Onstott, T.C. 2018. The biomass and biodiversity of the continental subsurface. Nature Geoscience 11:707-717. Merino, N., Aronson, H.S., Bojanova, D.P., Feyhl-Buska, J., Wong, M.L., Zhang, S. and Giovannelli, D. 2019. Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Frontiers in Microbiology. 10:780. McGill, B. J., B. Enquist, E. Weiher, and M. Westoby. 2006. Rebuilding community ecology from functional traits. Trends in Ecology & Evolution 21:178–185. Nemergut, D. R., A. Shade, and C. Violle. 2014. When, where and how does microbial community composition matter? Frontiers in Microbiology 5:497. Prosser, J.I. 2015. Dispersing misconceptions and identifying opportunities for the use of 'omics' in soil microbial ecology. Nature Microbiology Reviews 13(7):439-46.