Dynamique temporelle des communautés microbiennes eucaryotes en lien avec les forçages climatiques et anthropiques : approche paléolimnologique basée sur le séquençage massif d'ADN sédimentaire

Temporal dynamics of lacustrine microbial eukaryotes inferred from paleogenetic approaches : tracking the impacts of climate change and nutrients enrichment

• Auteur / Autrice : Éric Capo
• Direction : Isabelle Domaizon, Fabien Arnaud, Didier Debroas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 19/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre alpin de recherche sur les réseaux trophiques des écosystèmes limniques (Thonon-les-Bains, Haute-Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Jan Pawłowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sabatier, Thomas Pommier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Purificación López-García, Laure Guillou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paléolimnologie

Paléogénétique

Écologie des lacs

Mots clés libres

Microbes eucaryotes

Séquençage massif

ADN sédimentaire

Paléolimnologie

Eutrophisation

Réchauffement climatique

Microbial eukaryotes

High-Throughput sequencing

Sedimentary DNA

Paleolimnology

Eutrophication

Climate warming

Résumé

L’eutrophisation et le réchauffement climatique sont reconnus comme des forçages majeurs du fonctionnement des lacs. Toutefois les connaissances concernant la réponse des communautés microbiennes eucaryotes à ces forçages sont encore très lacunaires, alors même que les microbes eucaryotes, porteurs d’une vaste diversité taxonomique et fonctionnelle, sont des acteurs clés des réseaux trophiques lacustres. La pertinence des approches paléolimnologiques pour comprendre les impacts de ces forçages sur les communautés lacustres n’est plus à démontrer, mais aujourd’hui l’intégration des outils moléculaires pour analyser l’ADN archivé dans les sédiments offre des opportunités nouvelles pour reconstituer la dynamique passée de la biodiversité lacustre. Dans ce cadre, en s’appuyant sur le couplage entre paléolimnologie et outils de séquençage massif appliqués à l’ADN sédimentaire, ces travaux ont pour but (i) d’apporter des connaissances concernant la préservation de l’ADN des microbes eucaryotes dans les sédiments lacustres (ii) d’appliquer l’approche de paléogénétique sur des carottes sédimentaires issues de 3 lacs pour révéler la dynamique à long terme (de la décennie au millénaire) des microbes eucaryotes en lien avec l’évolution des conditions climatiques et anthropiques. Les résultats acquis sur le lac du Bourget ont permis de mettre en évidence l’efficacité d’archivage de l’ADN planctonique dans les sédiments récents pour la plupart des groupes eucaryotes (notamment chrysophycées, chytrides, chlorophytes, cercozoaires, ciliés, dinophycées). A partir d’une collection de carottes (issues du lac suédois Nylandssjön), l’effet de la diagénèse s’opérant au cours des premières années d’enfouissement a été évalué, permettant de démontrer que si la richesse taxonomique n’est pas impactée, des variations peuvent être détectées dans la structure de la communauté au cours des 10 premières années d’archivage avec une stabilisation du signal au-delà de cette période. L’approche paléogénétique a, en parallèle, été déployée d’une part à l’échelle du siècle sur deux lacs de même typologie mais ayant subi des niveaux d’eutrophisation contrastés, et d’autre part à une échelle temporelle plus longue (2200 ans) pour deux lacs de typologie contrastée (lac du Bourget, France et Igaliku, Groenland). Les résultats acquis démontrent que des réarrangements des communautés s’opèrent de manière concomitante aux périodes climatiques (réchauffement médiéval, petit âge glaciaire, réchauffement récent), et que le réchauffement climatique au cours des 30 dernières années a plus particulièrement favorisé certains groupes, notamment la richesse et l’abondance des dinophycées (en condition non eutrophe ; lac d’Annecy et du Bourget). Toutefois l’effet de l’eutrophisation est identifié comme le facteur le plus structurant, notamment dans le lac du Bourget (cas d’eutrophisation marquée, ~120 µgP.L-1). La forte influence du niveau d’eutrophisation est détectée sur la communauté eucaryote totale et plus particulièrement sur des groupes spécifiques tels que les chlorophytes et les ciliés. Les réarrangements majeurs de la communauté sont par ailleurs marqués par la mobilisation de taxons rares dans l’assemblage microbien eucaryote suggérant le rôle de la biosphère rare dans la capacité tampon des écosystèmes. Ces travaux pluridisciplinaires comptent parmi les premières études paléogénétiques appliquées aux microbes eucaryotes lacustres, contribuant de manière inédite aux connaissances de leur dynamique temporelle à long terme. Ces études tendent à confirmer le potentiel de ces approches pour reconstituer une vaste diversité de communautés lacustres. Les perspectives qui se dessinent dans la continuité de ces travaux concernent à la fois des aspects méthodologiques autour de la calibration du signal ADN archivé et la nécessité de déployer cette approche pour des lacs (sélectionnés) de typologies et histoires écologiques variées.

Eutrophication and climate warming are key factors governing lake functioning. However, there is a lack of knowledge about the response of microbial eukaryotic communities to these forcing factors even though microbial eukaryotes represent a huge taxonomic and functional diversity within lacustrine trophic networks. Paleolimnology has a well-established reputation for providing valuable insights into the drivers of biological assemblages over long time scales. The emergence of DNA analyses of lake sediments opens up many new opportunities for the reconstruction of past lacustrine biodiversity, including taxa that do not leave distinct morphological fossils. The present work aimed (i) to gain knowledge about the preservation of microbial eukaryotes DNA in lacustrine sediments (ii) to apply DNA-based methods to dated sediments in order to reveal the long-term dynamics (centennial to millennial) of microbial eukaryotes related to climatic and anthropogenic changes. The results obtained for Lake Bourget demonstrated the good efficiency of planktonic DNA archiving in recent sediments for most of microbial groups (chrysophyceae, chytrids, chlorophytes, cercozoa, ciliates, dinophyceae …). In complement, the use of a unique collection of freeze cores of varved sediment (Lake Nylandssjön, Sweden) allowed to assess the effects of diagenetic processes on microbial eukaryotes DNA occurring during the first years of burying. While the richness of the microbial eukaryotic community was not impacted, modifications were detected on the community structure during the first 15 years after deposition, then the DNA signal became stable. The paleoecological approach was applied to quantify centennial to millennial-scale dynamics on two deep peri-alpine lakes selected for their contrasted trophic history (lakes Bourget and Annecy, France) and two lakes with contrasted typologies (Lake Bourget, France and Lake Igaliku, Greenland). The results showed that some community rearrangements were concomitant with climate events (i.e. medieval warming, little ice age, recent warming) and that the recent climatic warming (over the last 30 years) favored more particularly some microbial groups including the dinophyceae (in terms of richness and relative abundance, in lakes Annecy and Bourget). However, the eutrophication seemed to prevail as a driver of these biological assemblages, in particular for Lake Bourget submitted to a marked eutrophication (up to 120 µg P. L-1 in the 1970s). The strong impact of the eutrophication was detected both at the whole community level and for specific groups such as chlorophytes and ciliates. Major rearrangements within eukaryotes community were also marked by the mobilization of rare taxa suggesting an important role of the rare biosphere as a reservoir of diversity to buffer the impacts of environmental stress. This multidisciplinary work thus provide new insights into the long-term dynamics of microbial eukaryotes communities. Our results confirm the potential of the application of high-throughput sequencing to sedimentary DNA for the lacustrine biodiversity reconstruction. Although these approaches are promising for further revolutionizing our understanding of long-term ecological dynamics, careful calibration studies are still to be conducted, as with any paleolimnological proxy. The generalization of our results is also to be tested using a sufficient number of lakes selected for their specific typologies and ecological histories (multi-lakes approach).