Structure et activité des Archaea planctoniques dans les écosystèmes aquatiques

210 Pages·2013·7.88 MB·French

UNIVERSITE BLAISE PASCAL
Année 2013
Numéro d’ordre : D.U. 2388

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES DE LA VIE,
SANTE, AGRONOMIE ENVIRONNEMENT
(Numéro 618)

Thèse
Présentée à l’Université Blaise Pascal pour l’obtention du grade de

DOCTEUR D’UNIVERSITE
(Spécialité : Ecologie Microbienne)

Soutenue le 31 octobre 2013

Mylène HUGONI

Structure et activité des Archaea planctoniques

dans les écosystèmes aquatiques

Président :
Didier DEBROAS Pr, Université Clermont Ferrand II
Rapporteurs :
Céline BROCHIER Pr, Université Claude Bernard Lyon I
Purificación LOPEZ-GARCIA DR, Université Paris Sud XI
Membres :
Pierre GALAND CR, Université Pierre et Marie Curie Paris VI
Laurent TOFFIN Dr, Ifremer Brest
Isabelle MARY MCU, Université Clermont Ferrand II

Laboratoire Microorganismes Génome et Environnement – UMR CNRS 6023

Remerciements

Trois années de thèse… comment dire… : peut être : « Ca laisse des marques !!! » et
c’est un travail que l’on ne peut pas mener tout seul…
A cet effet, je tiens à remercier dans un premier temps Purificación Lopez-Garcia et
Céline Brochier qui ont accepté de rapporter mes travaux, mais aussi Laurent Toffin et Pierre
Galand qui ont été examinateurs de mes travaux. Mes remerciements vont également aux
deux directeurs d’unité qui m’ont accueilli, M. Amblard et M. Sime-Ngando et mon
encadrante, Isabelle, qui a passé son HDR pour moi (enfin en partie !!).
Merci à l’équipe Parasito de ne pas m’avoir gardé en stage de Master 2, ce qui m’a
donné l’occasion d’être intégrée à l’équipe MEB, certes au début dans les larmes mais pour
mon plus grand bonheur au final !!
Les plus gros des MERCI vont évidemment à mon équipe. Sans le soutien de
l’ensemble des membres qui constitue l’équipe MEB je peux affirmer que je n’aurais jamais
fini cette thèse. Merci pour tous ces horoscopes, ces mots fléchés, ces blagues à raz les
pâquerettes, cette convivialité !! Merci à Didier qui m’a beaucoup appris et épaulé, pas
toujours dans le calme mais presque toujours dans la bonne humeur… Je pense aussi
évidemment à ma camarade de galère, Najwa, qui tout comme moi n’a qu’une demi-thèse
mais un PNAS !!! Un énorme merci d’avoir fait de moi avec Gisèle, ce que l’on peut appeler
« une bioinformaticienne en herbe », du moins je crois… Mais sans séquences il n’y a pas de
bioinformaticiens, et j’en profite pour remercier très chaleureusement Coco, Anne et les
anciens GIIM pour leurs très bons conseils à la paillasse (mais pas que, ils ont aussi joué un
rôle de soutien moral) qui sont venus compléter tout ce qu’Agnès m’a appris… Je pense aussi
à Piou-piou, Isa Jouan et JC pour leur bonne humeur…
Grosse pensée pour Jonathan, Stéphanie et Marie, avec qui nous avons bravé le froid
et les coups de soleil pour aller vider le Pavin et chercher de l’eau toute une année…
Merci à Hélène, Pierre et Zab, collaborateurs et partenaires de Divaqua… mais
j’espère bien que ce n’était que le premier de bien d’autres projets que nous mèneront
ensemble. Pierre, merci pour ta patience et ton aide (je n’oublierais pas qu’on a passé
quasiment un été au téléphone pour combler mes envies de bleu en bordure de papier !!).
Merci aux membres du labo qui m’ont soutenu pendant cette thèse : Fifounette, Cécile,
Brigitte, Nathalie, Yvette…
Ensuite, merci à mes amis, évidemment, à propos desquels je n’ai pas besoin d’en dire
plus, les gens en savent déjà bien assez !! Emilie, Eric, Benjamin, Anne, Olivier, Elo, Loulou,
Nico, Seb, Priscilla, Bruno, Benoît, Stéphanie… Mes amis de Mairie à Leucate : Nelly,
Thierry…
Enfin, une dernier merci à ma famille, maman, Pilou, mémés (oui au pluriel !!),
papa… et les autres.
Résumé

Les Archaea planctoniques contribuent de façon significative aux grands cycles
biogéochimiques dans les écosystèmes aquatiques, néanmoins la structure des communautés
actives ainsi que leurs variations saisonnières sont encore largement méconnues. En outre, la
découverte de l’implication des Archaea dans le cycle de l’azote (Ammonia Oxidizing
Archaea ou AOA), plus particulièrement dans le processus de nitrification a considérablement
modifié la perception d’un processus autotrophe réalisé uniquement par des bactéries
(Ammonia Oxidizing Bacteria ou AOB). Dans les écosystèmes marins, la large distribution
des AOA suggère que ces microorganismes joueraient un rôle prépondérant dans le cycle de
l’azote néanmoins, ces observations ne sont pas généralisables à l’ensemble des écosystèmes
aquatiques en raison de leur grande diversité et/ou d'un manque d'informations et d’études sur
certains d'entre eux.
Ainsi, les objectifs de ce projet étaient i) d’étudier la structure spatiale et temporelle
des communautés d’Archaea actives dans des écosystèmes aquatiques contrastés en termes
d’apports anthropiques et/ou de gradients de salinité (lac, estuaire, milieu côtier) ; ii) de
déterminer la contribution relative des Archaea au processus d’oxydation de l’ammonium, en
comparaison avec celle des bactéries ; et iii) de mieux comprendre les paramètres
environnementaux qui pourraient déterminer l’établissement des communautés d’AOA ou
d’AOB.

Aquatic Archaea are important players among microbial plankton and significantly
contribute to biogeochemical cycles, especially nitrogen, but details regarding their
community structure and seasonal activity and dynamics remain largely unexplored.
In marine ecosystems, the widespread distribution of Ammonia Oxidizing Archaea
(AOA) suggests that they probably play a major role in nutrients cycling. However, we cannot
generalize these observations to all aquatic ecosystems because of their high diversity and/or a
lack of information and studies on these organisms for some of these ecosystems. More
precisely, lacustrine and coastal ecosystems were less studied while they are potentially
subjected to strong anthropogenic impacts. Moreover, notable differences in terms of diversity
and activity between marine and freshwater communities can be expected, considering the
specific environmental parameters of each ecosystem.
The objectives of this thesis were: i) to study the archaeal community structure across a
temporal scale and assess the diversity of archaeal communities and AOA in diverse aquatic
ecosystems along anthropogenic and/or salinity gradient (lacustrine, estuarine and coastal
ecosystems); ii) to determine their relative contribution in ammonia oxidation, compared to
Ammonia Oxidizing Bacteria (AOB) by looking at their spatial and temporal distribution and
activity, and iii) to explore more precisely the environmental parameters that could drive
AOA and/or AOB establishment.

Liste des Abréviations

16S 16 Sverdberg MCG Miscellaneous Crenarchaeotic Group
3HP-4HB 3-hydroxypropionate 4-hydroxybutyrate MGI Marine Group I
ADN Acide Désoxyribonucléique MGII Marine Group II
ADNg ADN Génomique N Diazote
2
ADNr ADN Ribosomique NGS Nouvelle Génération de Séquençage
AmoA Sous-unité A de l'ammonium monooxygénase NHOH Hydroxylamine
2
AmoB Sous-unité B de l'ammonium monooxygénase NH+ Ammonium
4
AmoC Sous-unité C de l'ammonium monooxygénase nir Gène codant la Nitrite Reductase
AOA Ammonia Oxidizing Archaea NO Monoxyde d'azote
AOB Ammonia Oxidizing Bacteria NO- Nitrites
2
ARN Acide Ribonucléique NO- Nitrates
3
ARNm ARN messager nor Gène codant la Nitric Oxide Reductase
ARNr ARN ribosomique NURM Complexe N-oxide-Ubiquinone Redox
CNRS Centre National de la Recherche Scientifique NXOR Nitroxyle Oxydoréductase
CO Dioxyde de Carbone OTU Operational Taxonomic Unit
2
Phylogenetic Analysis of Next Generation
CoA Coenzyme A PANAM
Amplicons
DNRA Dissimilatory Nitrates Reduction to Ammonium PCR Polymerase Chain reaction
EDTA Ethylene Diamine Tetraacetic Acid PON Particulate Organic Nitrogen
GDGT Glycérol Dialkyl Glycérol Tétraéthers PPi Pyrophosphate
HAO Hydroxylamine Oxidoreductase QIIME Quantitative Insights Into Microbial Ecology
HCO- Bicarbonates RC-V Rice Cluster -V
3
HNO Nitroxyle RDP Ribosomal Database Project
HNO Acide nitreux RT-qPCR Reverse Transcription-PCR
2
Ribulose 1,5-bisphosphate
HWCGI Hot Water Crenarchaeotic Group I RubisCO
carboxylase/oxygénase
HWCGIII Hot Water Crenarchaeotic Group III SAGMCG-1 South African Gold Mine Group - 1
Km Constante de Michaelis SDS Sodium Dodecyl Sulfate
LDS Lake Dagow Sediment ThAOA AOA Thermophile
MBG-B Marine Benthic Group B UreC Sous-unité A de l'uréase