La microdiversité : moteur de l'adaptation de Limnospira (Cyanobactérie) du lac Dziani (Mayotte) ?

The microdiversity: a driving force behind the adaptation of Limnospira (Cyanobacteria) from Lake Dziani (Mayotte)?

• Auteur / Autrice : Amaury Le vern
• Direction : Cécile Bernard, Sébastien Halary
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la nature et de l'Homme : évolution et écologie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Molécules de Communication et Adaptation des Microorganismes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Cyanobactérie, Cyanotoxine, Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Processus d'adaptation

Génotype

Phénotype

Écologie microbienne

Spiruline

Limnospira

Genotype

Spirulina

Adaptation

Microbial ecology

Limnospira

Phenotype

Résumé

Les populations de bactéries sont constituées d'une multitude de génotypes différents, que l'on appelle la microdiversité. Celle-ci est considérée comme un facteur fondamental de l'adaptation microbienne. Une population de pico-cyanobactéries océaniques peut par exemple coloniser différentes niches écologiques, dépendantes de la latitude et de la profondeur, aux conditions environnementales spécifiques (e.g. intensité lumineuse, température, concentration en nutriments), car les génotypes qui la composent possèdent des capacités adaptatives distinctes. Même à l'échelle réduite d'un lac ou d'un étang, cette microdiversité est observée, sans que l'on en comprenne l'impact sur la partition de niche, dans ces milieux en apparence homogènes (isotropes). Elle pourrait cependant jouer un rôle dans l'adaptation des populations aux variations temporelles et spatiales des conditions environnementales. L'écologie et la dynamique des cyanobactéries lacustres est devenue ces dernières années une problématique majeure ; les épisodes d'efflorescences - des densifications massives de leur population - voient en effet leur fréquence et leur intensité augmenter en raison des changements globaux. Ces phénomènes perturbent profondément le fonctionnement de ces écosystèmes, et certains génotypes, produisant des molécules toxiques, ont des effets délétères pour la faune et les humains, avec de graves conséquences socio-économiques et sanitaires. Le lac Dziani Dzaha à Mayotte, est un lac de cratère hypersalin formé il y a environ 5 500 ans, qui fait l'objet d'un suivi interdisciplinaire depuis plus de 10 ans. Cet écosystème est largement dominé par la cyanobactérie Limnospira platensis, qui forme une efflorescence permanente dont la densité exceptionnelle conduit à un rapide contraste des conditions dans la colonne d'eau. Par exemple, dès 50 cm de profondeur l'essentiel de la lumière visible est absorbée et le taux d'oxygène diminué de moitié. En 2020, à la suite d'une éruption volcanique sous-marine, à 50 km des côtes, une infiltration d'eau de mer dans le lac a conduit à des changements majeurs tels qu'une diminution du pH (9.5 à 8.5) et de la salinité (70 à 56 psu). Une étude préliminaire a montré que les souches planctoniques de Limnospira platensis (isolées de la colonne d'eau) présentent une remarquable diversité génétique. La comparaison de leur génotype, permet de regrouper ces souches en fonction de leur date de prélèvement, pré- ou post- séisme, suggérant une dynamique temporelle de la microdiversité potentiellement associée à une adaptation aux nouvelles conditions environnementales de pH et de salinité. D'autres génotypes, benthiques, colonisent le sédiment et les stromatolithes en périphérie du lac, où les conditions (e.g. température, lumière) sont distinctes. Comparé aux souches planctoniques, le seul représentant actuellement séquencé possède un génotype très distant. Ces résultats préliminaires permettent d'émettre l'hypothèse d'un lien entre microdiversité, diversité fonctionnelle et capacités adaptatives de Limnospira, aux différentes niches du lac Dziani. L'objectif de la thèse est d'utiliser l'écosystème original du lac Dziani pour mieux comprendre le rôle joué par la microdiversité des cyanobactéries dans les mécanismes de partition de niche et d'adaptation aux variations temporelles de conditions environnementales changeantes.

Bacterial populations consist of a multitude of different genotypes, referred to as microdiversity, considered a fundamental factor in microbial adaptation. For instance, a population of oceanic pico-cyanobacteria can colonize various ecological niches, dependent on latitude, depth, and specific environmental conditions (e.g., light intensity, temperature, nutrient concentration), as its different genotypes possess distinct adaptive capabilities. Even on the reduced scale of a lake or pond, this microdiversity is observed, without fully understanding its impact on niche partitioning in these seemingly homogeneous (isotropic) environments. However, it could play a role in population adaptation to temporal and spatial variations in environmental conditions. In recent years, the ecology and dynamics of cyanobacteria in lakes have become a major concern; episodes of blooms - massive population densifications - have seen an increase in frequency and intensity due to global changes. These phenomena profoundly disrupt the functioning of these ecosystems, and some genotypes, producing toxic molecules, have deleterious effects on fauna and humans, with serious socio-economic and health consequences. Lake Dziani Dzaha in Mayotte is a hypersaline crater lake formed approximately 5,500 years ago, subject to interdisciplinary monitoring for over a decade. This ecosystem is largely dominated by the cyanobacteria Limnospira platensis, forming a permanent bloom with exceptional density leading to rapid contrast in water column conditions. For example, at a depth of 50 cm, most visible light is absorbed, and oxygen levels are halved. In 2020, following an underwater volcanic eruption 50 km off the coast, seawater infiltration into the lake led to major changes such as a decrease in pH (from 9.5 to 8.5) and salinity (from 70 to 56 psu). A preliminary study showed that planktonic strains of Limnospira platensis (isolated from the water column) exhibit remarkable genetic diversity. Comparing their genotypes allows grouping these strains based on their sampling date, pre- or post-seismic event, suggesting a temporal dynamic of microdiversity potentially associated with adaptation to the new environmental conditions of pH and salinity. Other benthic genotypes colonize sediment and stromatolites on the lake's periphery, where conditions (e.g., temperature, light) are distinct. Compared to planktonic strains, the only currently sequenced representative has a very distant genotype. These preliminary results suggest a link between microdiversity, functional diversity, and adaptive capabilities of Limnospira to different niches in Lake Dziani. The aim of this thesis is to use the unique ecosystem of Lake Dziani to better understand the role played by cyanobacterial microdiversity in niche partitioning mechanisms and adaptation to temporal variations in changing environmental conditions.