Organisation saisonnière des communautés microbiennes planctoniques en relation avec la diversité et l'écologie d'espèces responsables d'efflorescences

Seasonal organization of planktonic microbial communities with emphasis on the diversity and ecology of blooming taxa

• Auteur / Autrice : Dimitra-Ioli Skouroliakou
• Direction : Urania Christaki, Luis Felipe Artigas Pereira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques et écologiques - Sciences de la Mer - Biologie et écologie
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG) - Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional - Pôle métropolitain de la Côte d'Opale
• Partenaire(s) de recherche : Contrat Plan Etat-Région : MARCO
• Jury : Président / Présidente : François Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : France Van Wambeke, Raffaele Siano, Loïs Maignien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : France Van Wambeke, Raffaele Siano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabarcoding

Patrons spatio-temporels

Biocénoses

Efflorescence (chimie)

Manche (mer)

Plancton marin

Mots clés libres

Plancton

Écologie des communautés

Patrons temporels

Efflorescences

Métabarcoding

Manche Orientale

Plankton

Community ecology

Termporal paterns

Blooms

Metabarcoding

Eastern English Channel

Résumé

Les efflorescences sont un phénomène naturel dans les écosystèmes marins côtiers, soutenant les chaînes alimentaires. Comprendre la dynamique des microbes marins est crucial pour améliorer notre capacité à prédire les conséquences environnementales des changements globaux. La Manche Orientale (MO) est un écosystème côtier, méso-eutrophe sous l'influence des marées, caractérisé par une efflorescence printanière de l'haptophyte Phaegocystis globosa. Outre P. globosa, d'autres microbes planctoniques, présentent des proliférations ou des augmentations de leur abondance. Si l'efflorescence de Phaegocystis est relativement bien étudiée, les mécanismes régulant les autres taxons proliférant dans la MO sont encore mal connus. L'objectif de cette thèse était d'étudier les mécanismes d'organisation saisonniers des communautés microbiennes et des taxons qui présentent des efflorescences de différents groupes microbiens. En particulier, cette thèse a examiné les processus écologiques par une approche d'écologie communautaire et par les interactions potentielles. Le travail présenté dans ce manuscrit est basé sur l'analyse par microscopie, cytométrie, et métabarcoding de l'ADN (18S et 16S). Des échantillons en sub-surface ont été collectés sur cinq ans (2016-2020, 322 échantillons) dans cinq stations (15 km) aux le réseau national d'observation SOMLIT (S1, S2) et au transect local DYPHYRAD (R1, R2, R4). Deux fréquences d'échantillonage différentes ont été utilisées pour mieux capturer les variations temporelles des communautés planctoniques (toutes les 2 semaines de 2016 à 2020 et à une fréquence plus élevée de 2018 à 2020). La microscopie et la cytométrie ont permis d'estimer l'abondance et la biomasse, et le métabarcoding a fourni une évaluation plus étendue de la diversité. Dans la première partie de cette thèse, les processus écologiques régulant l'organisation saisonnière des communautés de phytoplancton ont été étudiés. Les processus déterministes ont dominé en hiver et au début du printemps, tandis que les processus stochastiques dominaient en été lorsque des proliférations transitoires se produisaient. Les processus déterministes et stochastiques ont joué tous deux un rôle significatif dans la formation des communautés de phytoplancton en automne. Dans la deuxième partie, la dynamique des bactéries hétérotrophes et leurs interactions potentielles ont été étudiées lors des proliférations récurrentes de P. globosa et de transitoires diatomées à l'aide de l'analyse de similarité locale étendue (eLSA). Les bactéries hétérotrophes ont présenté des patrons saisonniers et "épisodiques" liés aux proliférations transitoires de diatomées. Il a été démontré que les efflorescences de diatomées et de P. globosa définissent des communautés bactériennes distinctes qui étaient saisonnières et/ou liées aux substrats phytoplanctoniques. Dans la troisième partie de cette thèse, les dynamiques interannuelles, la diversité, les processus écologiques et les hôtes potentiels des endosymbiotes du groupe II Syndiniales ont été étudiés. Cette étude a révélé l'existence de populations locales présentant des patrons temporels cohérents. Les Syndiniales du groupe II ont atteint leur maximum en été, en même temps que le dinoflagellé mixotrophe Prorocentrum minimum. Les processus écologiques stochastiques ont prédominé dans l'assemblage de la communauté, mais des processus déterministes ont été remarquables en été, suggérant des interactions spécifiques entre les Syndiniales et les dinoflagellés. Dans l'ensemble, cette thèse a fourni une image complète des microbes planctoniques dans la MO. Elle a permis de souligner la nécessité d'approches complémentaires dans les recherches associées aux observatoires, et a plaidé en faveur de fréquences d'échantillonnage aussi élevées que possible. Dans un contexte plus large, la prévalence des processus stochastiques rend les dynamiques saisonnières moins prévisibles a priori face aux changements environnementaux futurs.

Blooms are an important, widespread natural phenomenon in coastal ecosystems supporting marine food webs. Understanding the dynamics of marine microbes is thus crucial for enhancing our ability to predict accurately the environmental consequences of local and global changes. The Eastern English Channel (EEC) is a tidally mixed meso-eutrophic coastal ecosystem, characterized by spring nontoxic bloom of the haptophyte Phaeocystis globosa. Besides P. globosa, other planktonic microbes, including diatoms, dinoflagellates, bacteria and eukaryotic parasites present blooms or increases in relative abundance. While the major drivers defining P. globosa are generally well studied, little is known about the mechanisms regulating other blooming taxa in the EEC. The objective of this thesis was to investigate the seasonal organisation mechanisms of plankton microbial communities of different groups. In particular, this thesis looked into ecological processes through a community ecology approach, and explored potential interactions. The work presented in this manuscript is based on the analysis of microscopy, cytometry counts, and DNA metabarcoding (rRNA gene 18S V4 and 16S V3-V4) data. Sub-surface samples were collected one five years (2016-2020, 322 samples) at five neighbouring stations (Wimereux, Eastern English Channel; ca. 15 km) belonging to the national observatory network SOMLIT (S1, S2;https://www.somlit.fr/en) and to the local monitoring transect DYPHYRAD (R1, R2, R4). Two different sampling frequencies were conducted to better capture the temporal changes of plankton communities (bi-weelky during 2016-2020 and at a higher frequency during 2018-2020). Microscopy and cytometry allow estimating abundance and biomass, and metabarcoding provided a more extended evaluation of the diversity. In the first part of this thesis, the ecological processes regulating seasonal organisation of phytoplankton communities were investigated. Deterministic processes dominated in winter and early spring, while stochastic processes dominated in summer, where transient bloom occured. Both deterministic and stochastic processes played significant roles in shaping phytoplankton communities in autumn. In the second part of this thesis heterotrophic bacterial dynamics, and their potential interactions during P. globosa and transient diatom blooms were investigated by applying extended local similarity analysis (eLSA) to microscopic data for pytoplankton and 16S data for heterotrophic bacteria. Heterotrophic bacteria showed seasonal, and "episodic" patterns related to transient diatom blooms. It was evidenced that diatom and P.globosa blooms harbour distinct bacterial communities that were seasonally and/or substrate driven. In the third part of this thesis the interannual dynamics, diversity, ecological processes and potential hosts of the endosymbiots Syndiniales group II were investigated. Syndiniales Group II evidenced the existence of local populations and featured consistent temporal patterns. Syndiniales Group II peaked in summer along with the mixotrophic dinoflagellate Prorocentrum minimum (prevalence up to 38.5%). Stochastic ecological processes prevailed in community assembly, but deterministic ones were notable in summer suggesting specific Syndiniales-dinoflagellate interactions. Overall, this thesis provided a complete picture of the microbial planktonic microbes in the EEC, highlighted the need for complementary approaches in observatory surveys, and advocated for as high as possible sampling frequencies. In a broader context, the prevalence of stochastic processes renders a priori less predictable the seasonal dynamics to future environmental change.