Structure et assemblage des microbiomes bactériens dans la phycosphère d’Emiliania huxleyi

Structure and assembly of bacterial microbiomes in the Emiliania huxleyi phycosphere

• Auteur / Autrice : Mariana Câmara dos Reis
• Direction : Christian Jeanthon, Colomban de Vargas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie microbienne marine
• Date : Soutenance le 13/04/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Adaptation et diversité en milieu marin (Roscoff, Finistère ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Leblanc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Agogué
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rebecca Case, Hans-Peter Grossart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microflore

Sélection (biologie)

Microbiologie marine

Phytoplancton marin

Emiliania huxleyi

Mots clés libres

Emiliania huxleyi

Phycosphère

Bactéries

Diversité du microbiome

Processus de sélection

Metabarcoding

Emiliania huxleyi

Phycosphere

Bacteria

Microbiome diversity

Selection processes

Metabarcoding

Résumé

Les interactions entre le phytoplancton marin et les bactéries sont une symbiose fondamentale dans les océans, affectant les cycles du carbone et des nutriments. Au cours de la dernière décennie, l'introduction de nouveaux outils de séquençage environnemental à haut débit a dévoilé une diversité inattendue de bactéries associées au phytoplancton dans l'océan ou en culture. Cependant, les modèles et les processus de sélection et d'assemblage du microbiome dans la phycosphère, c'est-à-dire la région environnant la cellule phytoplanctonique, restent mal connus. Dans cette thèse, Emiliania huxleyi, un phytoplancton-clé pour le cycle global du carbone et l'une des microalgues les plus étudiées de nos jours, a été sélectionnée comme espèce modèle. La première partie du travail visait à étudier la diversité microbiologique associée à 73 souches d'E. huxleyi et de son taxon frère Gephyrocapsa oceanica, isolées des océans mondiaux entre 1959 et 2015. Leurs microbiomes étaient dominés par des Gammprotéobactéries du genre Marinobacter, indépendamment de la variation inter et intra-espèce de l'hôte, du lieu d'isolement et de l'âge des cultures. L'abondance et la distribution des principaux taxons bactériens associés aux cultures d'Emiliania/Gephyrocapsa dans les jeux de données de métabarcodes d’ADNr 16S issus des océans du monde, ont montré qu'ils sont préférentiellement associés à des fractions planctoniques de grande taille et enrichis dans les couches bathypélagiques, attirant l'attention sur le rôle potentiellement important des bactéries associées au phytoplancton dans le flux des agrégats organiques et du plancton de grande taille vers la couche océanique profonde. La deuxième partie était consacrée à l'étude des moteurs de la sélection et de l'assemblage du microbiome dans les cultures. Les microbiomes de souches appartenant à 7 phyla de phytoplancton et résultant de millions d'années d'évolution, isolées des mêmes échantillons d'eau de mer lors de campagnes océanographiques ont été comparés. Nos résultats indiquent que la diversité des microbiomes dans les phycosphères cultivées est régie par des processus déterministes à plusieurs échelles, dont le lieu d'isolement et le milieu de culture. Dans la troisième et dernière partie de ce travail, nous avons étudié les facteurs de sélection du microbiome par E. huxleyi. Des échantillons d'eau de mer collectés à l'intérieur et à l'extérieur d'une efflorescence d'E. huxleyi au large de la Bretagne (2019) ont servi d'inoculums à une culture axénique d’E. huxleyi et les microbiomes assemblés ont été suivis pendant un an. Nous avons observé que les microbiomes assemblés étaient dépendants de la composition de la communauté bactérienne initiale et résistants aux perturbations. Dans l'ensemble, les résultats des trois parties mettent en évidence la stabilité des microbiomes du phytoplancton dans le temps et sa résilience aux changements d’état de santé de l'hôte. Dans son ensemble, ce travail fournit une ressource de base originale sur la diversité bactérienne des cultures de microalgues et une collection d'isolats bactériens qui peuvent être utilisés dans de futures études des interactions phytoplancton-bactéries.

Interactions between marine phytoplankton and bacteria are a critical symbiosis in the oceans, affecting carbon and nutrient cycles. Over the last decade, the introduction of novel tools for high-throughput environmental sequencing has unveiled an unexpected diversity of bacteria associated with phytoplankton in the ocean or in culture. However, the drivers of microbiome assembly in the phycosphere, i.e. the surrounding region of the phytoplankton cell, remain poorly known. In this thesis, Emiliania huxleyi, a key phytoplankton for the global carbon cycle and one of the most studied microalgae, was selected, as a model species. The first part of the work aimed at studying the microbiome diversity associated with 73 cultured strains of E. huxleyi and its sister taxon Gephyrocapsa oceanica, isolated from the world ocean between 1959 and 2015. Their microbiomes were consistently dominated by members of the gammaproteobacterial genus Marinobacter, independent of the inter- and intra-specific variation of the host, the place of isolation, and the age of the cultures. Abundance and distribution of the main bacterial taxa associated with Emiliania/Gephyrocapsa cultured strains in existing 16S rDNA metabarcoding datasets from the world ocean, provided evidence that they are preferentially associated with large plankton size fractions and enriched in the bathy-pelagic waters. These results call attention to the putative crucial role of phytoplankton-associated bacteria in the flux organic aggregates and of larger plankton to deeper ocean layer. The second part of this thesis was dedicated to the investigation of the drivers of microbiome assembly in cultures. Microbiomes of strains belonging to 7 phytoplankton phyla resulting from millions of years of evolution and isolated from the same seawater samples during oceanographic expeditions were compared. Our results indicate that the diversity of the microbiomes in cultured phycospheres is driven by deterministic processes at multiple scales, including the location of isolation and the cultivation medium. In the third and final part of this work, we investigated drivers of the microbiome selection by E. huxleyi. Filtered seawater samples collected inside and outside an E. huxleyi bloom offshore Brittany (2019) served as inocula into axenic E. huxleyi, and the resulting microbiomes were followed over one year. We observed that the resulting microbiomes were dependent on the composition of the initial bacterioplankton community, as well as resilient to disturbance. Altogether, the results from the three parts highlight the stability of phytoplankton microbiomes over time and its resilience to changes in the health status of the host. Ultimately, this work provides a new baseline resource of bacterial diversity from microalgal cultures and a collection of bacterial isolates which can be used in future studies to investigate phytoplankton-bacteria interactions.