variations spatio-temporelles de la microflore des sols alpins · • préciser les mécanismes...

Variations spatio-temporelles de la microflore des sols alpins

Soutenance de thèse de Lucie Zinger

UFR de Biologie, Amphi A

Le 10 Juillet 2009

microflore des sols alpins

Jury composé de:

Dr. Lionel Ranjard, Rapporteur

Dr. Philippe Vandenkoornhuyse, Rapporteur

Dr. Jean-Jacques Brun, Examinateur

Dr. Philippe Normand, Examinateur

Dr. Christiane Gallet, Co-directrice de thèse

Dr. Roberto Geremia, Directeur de thèse

IntroductionObjectifsChapitre IChapitre IIChapitre III

Conclusions / Perspectives

• > 50% de la biomasse terrestre (Withman, PNAS 1998)

• Grande diversité:

• Génétique

Objet de l’étudeLes micro-organismes

Introduction 1/5Objectifs

MéthodesPartie IPartie II


BactériesArchaebactéries

Diversité

10 Juill. 2009 Soutenance de thèse Lucie Zinger

Arbre phylogénétique de la vie basé sur les variations del’ARN ribosomal(d’après Pace et al. PNAS 1997)

Vous

êtes ici

Macro-

organismes

Eucaryotes





• Génétique

• Métabolique





Diversité


Vous êtes

là





• Génétique

• Métabolique

• D’habitats





Diversité






• Génétique

• Métabolique

• D’habitats

• Le sol





Diversité


� 1 g de sol : > 10000 espèces microbiennes (Torsvik et al 1990, AEM)







Le sol: la boîte noire

• Interactions sus/souterraines et éco-services:

• Forte hétérogénéité à des échelles spatiales variables � difficultés méthodologiques

Répartition d’un mycélium dans les pores du sol(CSIRO)


• Interactions sus/souterraines et éco-services:

• Recyclage des nutriments

• Composition atmosphérique

• Structure et qualité de l’habitat

• Conservation de la biodiversité

• Bioremédiation

• Ressource naturelle non renouvelableRôle du compartiment microbien dans le sol (van der Heijden et al Ecol Lett 2008)



Objet de l’étudeLes communautés microbiennes

Distribution spatiale, Dynamique




"Everything is everywhere, but, the environment selects", Baas-Becking (1939)

• Préciser les mécanismes impliqués dans la régulation de la biodiversité, des cycles biogéochimiques et dans la résilience des écosystèmes

� Patrons spatio-temporels des communautés

• Distribution spatiale


"Everything is everywhere, but, the environment selects", Baas-Becking (1939)

Fort taux de dispersion

Faible taux d’extinction (sporulation, phase dormance)

Fort taux d’adaptation (temps de génération, transferts horizontaux)

Quels patrons spatio-temporels pour les micro-organismes, à quelle échelle???

• Dynamique des communautés

Suit la dynamique de l’environnement?



Contexte de l’étudeLes écosystèmes alpins

Étage des contrastes




• Hétérogénéité du paysage

N

Treeline

• Saisonnalité marquée


N

Gradients de relief et d’exposition… …de régimes d’enneigement.



Contraintes édapho-

climatiques





+ -

Régime d’enneigement

Étage des contrastes


Stocks de carbone organique des

sols

-+

Quantité et Qualité

de litière- +

+- Minéralisation

Végétation à stratégie de

conservation des ressources

Végétation à stratégie

d’exploitation des ressources

Micro-organismes

Saisonnalité+ -







Changements globaux

Contraintes édapho-

climatiques

+ -



???

???

??????

Stocks de carbone organique des

sols

-+


de litière- +

+- Minéralisation

Végétation à stratégie de

conservation des ressources

Végétation à stratégie

d’exploitation des ressources

Micro-organismes

Saisonnalité+ -



Objectifs de la thèse

• Optimiser une technique d’empreinte moléculaire (CE-SSCP) pour l’étude des communautés microbiennes

• Développer une méthode d’analyse de jeux de données issus du séquençage

Introduction

Objectifs 1/1Méthodes

Partie IPartie II


Méth

od

olo

gie

• Déterminer les effets des régimes d’enneigement sur la dynamique et la structure des communautés microbiennes des sols alpins

• Caractériser la distribution spatiale des communautés microbiennes des sols alpins, à l’échelle du paysage, en fonction du couvert végétal.


Ecolo

gie des

com

mu

nau

tés



Matériels et MéthodesSite d’étude et échantillonnage

3 à 5 réplicats spatiaux

3 réplicats de sites (plots 5 x 5 m)

IntroductionObjectifs

Méthodes 1/2Partie IPartie II


Vers le col du Vers le col du GalibierGalibier

Vers le col du Vers le col du GalibierGalibier

Paris

GrenobleVallon de

Roche NoireVers le col du Vers le col du

GalibierGalibier

Paris

GrenobleVallon de

Roche Noire

NN


Vallon de Roche Noire, Hautes-Alpes, France. (P. Choler)

3 réplicats d’extraction d’ADN

1 extrait composite/site

Analyses

moléculaires

• Altitude: ~ 1900 à 2800 m

• Substrat: flysh (schistes argileux calcaires)

Vers le col Vers le col du Lautaretdu LautaretVers le col Vers le col du Lautaretdu LautaretVers le col Vers le col du Lautaretdu Lautaret

3 réplicats d’analyses physico-chimiques

(pH, MO)

Majorité des micro-organismes non cultivables ��



Matériels et MéthodesTechniques utilisées

Amplification par PCR d’un gène cible

Échantillon de sol

Extraction de l’ADN métagénomique




Marqueurs moléculaires

Bactéries


Crenarchaeotes

Champignons

18S ITS1 ITS25.8S 28S

gènes des ARNr (eucaryotes)

V1V1 V2V2 V3V3 V4V4 V5V5 V6V6 V7V7 V8V8 V9V9

gènes de l’ARNr 16S (procaryotes)

Marqueurs moléculaires (gènes cibles) utilisés:

variableconservée

Région:




Amplification d’un gène cible

Échantillon de sol


Empreinte moléculaire (CE-SSCP)




La CE-SSCP


Méthode d’empreinte moléculaire : CE-SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism)

Electrophorèse en capillairesur gel polyacrylamide

non dénaturantN

Dénaturation puis renaturation partielle des fragments simples

brins

Temps de migration

N

• Structure des communautés microbiennes

• Etudes comparatives




Amplification d’un gène cible

Échantillon de sol


Empreinte moléculaire (CE-SSCP)

Clonage




Le clonage séquençage


Séquençage

• Identifications de la composition en espèces

• Estimations de la diversité

• Structure des communautés microbiennes

• Etudes comparatives

+



Partie IRégimes d’enneigement et

microflore des sols


Méthodes

Partie I 1/8Partie II


Régimes d’enneigement

�� Végétation


�� Micro-organismes?

Amplitude de la saisonnalité

�� Dynamique des communautés?



Early snowmelt sites

CRETES

Late snowmelt sites

COMBES

Effet des régimes d’enneigement: Description de l’étude

5

10

15

20

25

T°C hivernales du sol

5

10

15

20

25


5

10

15

20

25


5

10

15

20

25


+ -Saisonnalité


Méthodes





Année

2000 2001 2002 2003 2004 2005

-10

-5

5

0

Année

2000 2001 2002 2003 2004 2005

-10

-5

5

0

Année

2000 2001 2002 2003 2004 2005

-10

-5

5

0

Année

2000 2001 2002 2003 2004 2005

-10

-5

5

0


de litière- +

A. A. pentaphylleapentaphylleaA. A. pentaphylleapentaphyllea

C. C. foetidafoetidaC. C. foetidafoetidaC. C. foetidafoetida

D. D. octopetalaoctopetalaD. D. octopetalaoctopetalaD. D. octopetalaoctopetala

K. myosuroidesmyosuroidesK. myosuroidesmyosuroidesK. myosuroidesmyosuroides

0°C 0°C



Effet des régimes d’enneigement: Description de l’étude


Méthodes



-50

51

01

52

0

Soil

tem

p. (

°C)

Combes

Sampling dates

AA

BBCC

CrêtesCrêtes


3 sites

2 années de suivi Site B

-15

-10

Jun

Jul

Au

g

Sep

Oct

No

v

Dec

Jan

Feb

Mar

Ap

r

May

Crêtes

AACrêtesCrêtesCombesCombes

ChampignonsBactéries

CE-SSCP

Clonage/séquençage

+ pH du sol

Roberto



Effet des régimes d’enneigement: Structure et dynamique des communautés


Méthodes



3 s

ites

4

5

6

7

8

May June August October

Month

So

il p

H

a

d

a a

c c

b

cd

ESM

LSM

Crêtes

Bactéries

Combes

Bactéries

Champignons

Champignons

pH du sol


• Saison de végétation: Structuration par type de régimes d’enneigement 2

an

s

Zinger et al. ISME J 2009



4

5

6

7

8


Month

So

il p

H

a

d

a a

c c

b

cd

ESM

LSM

Crêtes

Combes

pH du sol



Méthodes



Combes

3 s

ites

Bactéries

Bactéries

Champignons

Champignons

10 Juill. 2009 Soutenance de thèse Lucie Zinger Zinger et al. ISME J 2009

2 a

ns• Saison de végétation: Structuration par type de

régimes d’enneigement

• Distances entre communautés de Combes et Crêtes réduites en hiver. Equilibration du pH du sol





Méthodes



3 s

ites

Bactéries

Bactéries

Champignons

Champignons

4

5

6

7

8


Month

So

il p

H

a

d

a a

c c

b

cd

ESM

LSM

Crêtes

Combes

pH du sol

Combes


2 a

ns• Saison de végétation: Structuration par type de

régime d’enneigement

• Distances entre communautés de Combes et Crêtes réduites en hiver. Equilibration du pH du sol

• Variations interannuelles > variations saisonnières (sauf hiver)



Effet des régimes d’enneigement: Composition et diversité


Méthodes



Early snowmelt location

0

10

20

30

40

50

60

70

MayJuneAugustOctober

Late snowmelt location

0

10

20

30

40

50

60

70

clo

ne

freq

uen

cies

Crêtes Combes CombesCrêtes

Even

ess

Bactéries


Sequence dissimilarity (%)phylum

• Différences Crêtes (Actinobactéries) et Combes (Acidobactéries)





Méthodes




0

10

20

30

40

50

60

70



0

10

20

30

40

50

60

70

clo

ne

freq

uen

cies


Even

ess

Bactéries



• Différences Crête (Actinobactéries) vs. Combe (Acidobactéries)

• Augmentation des Acidobactéries en Crête en hiver





Méthodes




0

10

20

30

40

50

60

70



0

10

20

30

40

50

60

70

clo

ne

freq

uen

cies


Even

ess

Bactéries



• Différences Crête (Actinobactéries) vs. Combe (Acidobactéries)

• Augmentation des Acidobactéries en Crête en hiver

• Diversité bactérienne non affectée par les régimes d’enneigement, mais par l’hiver





Méthodes



0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

70

clo

ne

freq

uen

cies

CrêtesCrêtes

Even

ess

Champignons


CombesCombes


• Différences Crêtes (Agaricomycotina, surtout ectomycorhiziens) et Combes


Sequence dissimilarity (%)Sub-phylum





Méthodes



0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

50

60

70

clo

ne

freq

uen

cies

CrêtesCrêtes

Even

ess

ChampignonsCombes


Combes


• Différences Crêtes (Agaricomycotina, surtout ectomycorhiziens) et Combes

• Diversité supérieure en Combe


Sequence dissimilarity (%)Sub-phylum



Effets des régimes d’enneigement:Bilan


Méthodes



PRINTEMPS

Début de saison

Fonte des neigesFiltre

CrêteCombe

ETEMilieu de saison de végétation

(Pic de biomasse)


CrêteCombe


Zinger et al, AEM, submitted

Shahnavaz et al, In preparation

• Recrutement massif d’un phylotype fongique en Combe durant la fonte des neiges

• Effet de la végétation et des conditions édaphiques

• Crête = Dominance d’espèces mycorhiziennes et/ou décomposeurs � milieu contraignant, limité en ressources

• Combe = Diversité fongique � milieu + fertile?(Chapman et al. New Phytol 2006)





Méthodes



PRINTEMPS

Début de saison


Végétation et conditions édaphiques

AUTOMNEDépôt de litière


(Pic de biomasse)


CrêteCombe





• Apports de MO complexe

� filtre des communautés bactériennes

• Communautés fongiques peu affectées

CrêteCombeCrêteCombe





Méthodes



• Chute des températures et absence


(Pic de biomasse)

Qualité/quantité de litière

AUTOMNEDépôt de litière

PRINTEMPS

Début de saison




CrêteCombe


Perturbation

CrêteCombe

HIVER

Renouvellement non cyclique des

communautés




• Chute des températures et absence d’activité végétale. Equilibration des pH

� Filtre environnemental commun Combe/Crête

CrêteCombeCrêteCombe



Effets des régimes d’enneigement:Introduction

ObjectifsMéthodes



Différence des communautés microbiennes aux deux extrêmes du gradient

d’enneigement


CrêteCombe


… valable le long du gradient d’enneigement?


Végétation



Partie IILe paysage microbien reflète-t-il

le paysage végétal?


MéthodesPartie I

Partie II 1/8Conclusions / Perspectives

HS22

ES57

ES58

FG62

FG63KS47

KS48TR6

HS22

ES57

ES58

FG62

FG63KS47

KS48TR6


V26

V27V28

HS21HS23

ES58

FG61KD43

KD42

KD41

KS46

KS48

CTR11

CTR13

CTR12

CF31

CF33CF32

FP2FP1

FP3

TR8TR7

SR36

SR37

SR38

500mV26

V27V28

HS21HS23

ES58

FG61KD43

KD42

KD41

KS46

KS48

CTR11

CTR13

CTR12

CF31

CF33CF32

FP2FP1

FP3

TR8TR7

SR36

SR37

SR38

500m



Micro-organismes et couvert végétalDescription de l’étude

Symboles Type de communauté Espèces dominantes

● Pelouse alpine chionophile Carex foetida, Alchemilla pentaphyllea, Salix herbacea

● Pelouse subalpine/alpine Carex sempervirens, Trifolium alpinum

● Pelouse subalpine Trifolium pratense, Geranium sylvaticum

● Pelouse subalpine mesophile Festuca paniculata

■ Eboulis sur pente exposée Sud Crepis pygmeae, Doronicum grandiflorum

♦ Pelouse subalpine/alpine mesophile Festuca violacea, Alchemilla filicaulis, Geum montanum

♦ Pelouse alpine thermique sur crête Kobresia myosuroides, Dryas octopetala

♦ Pelouse alpine thermique Kobresia myosuroides, Sesleria coerulea, Carex rosae

♦ Lande psychrophile Salix retusa, Salix reticulata


MéthodesPartie I


• 11 types de communautés végétales représentatives de la flore alpine (3 réplicats)

• Variables mesurées:• Végétation: composition floristique (relevés), diversité et biomasse végétale

• Climat et topographie: modèles numériques de terrain + Aurhely (MétéoFrance)

• Sol: matière organique, pH

� Analyse des communautés microbiennes par CE-SSCP


♦ Lande psychrophile Salix retusa, Salix reticulata

▲ Lande subalpine Vaccinium uliginosum, Vaccinium_myrtillus

▲ Pelouse écorchée subalpine sur éboulis Helictotrichon sedenense, Festuca violacea

ChampignonsBactéries

Crenarchaeotes



Micro-organismes et couvert végétalCaractérisation des sites

CFCTRES

-10

12

PC

A2 (23%

of

variance)

El

Sl

Or

Arad

pH

SOM

LPCFCTRES

a b


MéthodesPartie I


Composition floristique Conditions environnementales

10 Juill. 2009 Soutenance de thèse Lucie Zinger Zinger et al. in preparation

• Or: Orientation• Arad: Radiations annuelles• El: Altitude• Sl: Pente• pH: pH du sol• SOM: Matière organique du sol• LP: Phytomasse verte

ESFGFPHSKDKSSRTRV

-3 -2 -1 0 1 2 3

-2

PCA1 (38% of variance)P

CA

2 (23%

of

variance)

ESFGFPHSKDKSSRTRV



Micro-organismes et couvert végétalCaractérisation des sites

VariablesSpearman rank ρ values

PlantEnvironmental conditionsSingle variable

Elevation 0.04Slope 0.12 *Orientation 0.20 **Annual radiations 0.23 ***Soil pH 0.40 ***% SOM 0.36 ***


MéthodesPartie I



% SOM 0.36 ***Live phytomass 0.04

Multiple variables •Soil pH + %SOM: 0.52 ***Soil pH + %SOM + annual radiations: 0.58 ***

Geographic distance 0.14 *

• Nombreuses variables corrélées à la composition floristique des sites. pH

• Faible effet de la distance géographique sur la composition floristique



Micro-organismes et couvert végétal

CFCTRESFGFPHSKDKSSRTRV

Crenarchaeota


Bacteria


Fungi


MéthodesPartie I



• Importante variabilité pour un même type de communauté végétale…



Micro-organismes et couvert végétal


Crenarchaeota


Bacteria


Fungi


MéthodesPartie I



• Importante variabilité pour un même type de communauté végétale…


Crenarchaeotes Bacteria FungiFloristic composition 0.43 *** 0.44 *** 0.30 **Floristic Evenness 0.29 * 0.18 * 0.19 *

• … Mais corrélation entre composition des communautés microbiennes et végétales.• Corrélation faible avec la diversité végétale



Micro-organismes et couvert végétalrelation avec l’environnement


Crenarchaeotes Bacteria FungiEnvironmental conditionsSingle variable

Elevation 0.02 -0.18 -0.001Slope -0.09 0.10 -0.04Orientation 0.13 0.11 0.02Annual radiations 0.02 0.16 ** 0.14 **Soil pH 0.35 *** 0.62 *** 0.28 **% SOM 0.09 0.06 0.15 *Live phytomass 0.12 -0.08 0.32 **

Multiple variables soil pH + annual radiations: 0.54 *** live phytomass + soil pH: 0.39 ***live phytomass + soil pH + % SOM: 0.36 ***


MéthodesPartie I



live phytomass + soil pH + % SOM: 0.36 ***Geographic distance -0.07 -0.09 0.11

Zinger et al. in preparation

• Composition des communautés corrélée au pH du sol, spécialement chez les bactéries









MéthodesPartie I



• Composition des communautés corrélée au pH du sol, spécialement chez les bactéries• Composition des communautés fongiques liée à d’autres variables, notamment la phytomasse

verte










MéthodesPartie I




• Composition des communautés corrélée au pH du sol, spécialement chez les bactéries• Composition des communautés fongiques liée à d’autres variables, notamment la biomasse

verte• Composition des communautés non corrélée à la distance géographique



Micro-organismes et couvert végétalBilan


MéthodesPartie I



Roche mère uniformément basique





MéthodesPartie I


COMMUNTAUTES VEGETALES

Densité de couvert végétal et groupes fonctionnels

� pH du sol



VARIABLES EDAPHO-CLIMATIQUES

• Végétation et variables environnementales � facteurs confondants





MéthodesPartie I




� pH du sol

COMMUNAUTES MICROBIENNES

Variabilité localeVariabilité locale


• Végétation et variables environnementales � facteurs confondants• Communautés microbiennes suivent les patrons spatiaux de l’interaction végétation/édapho-

climatique � organisation paysagère cohérente







MéthodesPartie I




�pH du sol


Variabilité localeVariabilité locale


• Végétation et variables environnementales � facteurs confondants• Communautés microbiennes suivent les patrons spatiaux de l’interaction végétation/édapho-

climatique � organisation paysagère cohérente• pH bon indicateur de la distribution spatiale des communautés microbiennes. Quoi derrière?



�pH du sol





MéthodesPartie I



Effets supposés des composantes écologiques et historiques sur les communautés microbienne

(Hughes Martiny et al 2006, Nat Rev Microb)





MéthodesPartie I



"Everything is everywhere, but, the environment selects" …

At the landscape scale

Effets supposés des composantes écologiques et historiques sur les communautés microbienne

(Hughes Martiny et al 2006, Nat Rev Microb)



Conclusion/PerspectivesIntroduction

ObjectifsMéthodes

Partie IPartie II





Conclusion/PerspectivesVers une biogéographie microbienne



Conclusions / PerspectivesE

ch

ell

e d

e t

em

ps

10 Juill. 2009 Soutenance de thèse Lucie ZingerEchelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps






Conclusions / Perspectives E

ch

ell

e d

e t

em

ps


Perturbation

ESMLSM

HIVER

ESM

PRINTEMPS

LSM

ESMLSM

ETE

ESMLSM

AUTOMNESAISONS

LOCAL

Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps







Perturbation

HIVER

ESM

PRINTEMPS

LSM

ETE

Ech

ell

e d

e t

em

ps


SAISONS

LOCAL

ESMLSM ESMLSM

ESMLSM

AUTOMNE

Perturbation

ESMLSM

HIVER

ESM

PRINTEMPS

LSM

ESMLSM

ETE

ESMLSM

AUTOMNE

ANNEES

Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps







MILLIERS D’ANNEES




� pH du sol

Ancienneté du sol


Variabilité locale

Ech

ell

e d

e t

em

ps


SAISONS

LOCAL

ANNEES

PAYSAGE

Partie I


Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps

Partie I







• Implications:

• Pour les études des communautés

Partie IIMILLIERS D’ANNEES

Ech

ell

e d

e t

em

ps


SAISONS

LOCAL

ANNEES

PAYSAGE

•

microbiennes

• Pour la modélisation des cycles biogéochimiques

Une meilleure prise en compte de la variabilité

spatio-temporelle des communautés

microbiennes

Partie I

Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps

Partie I



Partie II





MILLIERS D’ANNEES

Ech

ell

e d

e t

em

ps


SAISONS

LOCAL

ANNEES

PAYSAGE CONTINENTALE

Partie I

Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps

Partie I



Conclusion/PerspectivesEt après…




Partie II PerspectiveMILLIERS D’ANNEES

Ech

ell

e d

e t

em

ps

Successions?


SAISONS

LOCAL

ANNEES

PAYSAGE CONTINENTALE

Partie I

Partie I

Saisonnalité???

Sans perturbation??

Echelle spatiale

Ech

ell

e d

e t

em

ps

Changements de l’utilisation des terres



Bref… on ne fait que commencer!




Chefs

A TOUS MERCI!!!

Collègues

Famille

Potes



Merci de votre attention


variations spatio-temporelles de la microflore des sols alpins · • préciser les mécanismes...

Documents