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Communautés microbiennes dans les écosystèmes continentaux (CoMIC)

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Thématiques de recherche

L’équipe CoMIC s’inscrit dans un champ des recherches dont les objets d’étude sont les communautés microbiennes des écosystèmes continentaux, qu’ils soient terrestres ou aquatiques, et dont les questionnements concernent (i) la diversité, le fonctionnement et le rôle de ces communautés au sein des écosystèmes, notamment leur implication dans les flux d’énergie et de nutriments, et (ii) leur vulnérabilité aux pressions anthropiques.
Ces travaux nous conduisent à nous intéresser au rôle des communautés microbiennes dans les services écosystémiques rendus par les écosystèmes et, aux conséquences des perturbations subies par ces communautés, sur les usages de ces systèmes.
Parmi tous les défis posés dans ce champ de recherches, l’un des grands challenges en écologie microbienne, pour les prochaines années, sera par exemple d’établir des liens entre les informations acquises au niveau moléculaire sur les communautés microbiennes, et des données plus globales de fonctionnement des écosystèmes, telles que des mesures de flux d’énergie ou de matière.

Dans ce cadre très général qui prend bien sûr en compte les contraintes actuelles et futures exercées par les changements globaux et locaux, notre équipe affiche la volonté :

  • D’inscrire ses travaux dans un cadre théorique et conceptuel solide, tout en ayant des perspectives finalisées pour tenter d’apporter des réponses à certaines demandes sociétales, notamment dans les Pays du Sud
  • De prendre en compte diverses échelles d’étude, allant par exemple, du gène aux flux de matière, ou des interactions cellule/cellule à l’étude du fonctionnement des écosystèmes, en s’appuyant sur la modélisation pour traiter ces questions de changements d’échelle
  • De s’intéresser à l’ensemble des systèmes continentaux (terrestres et aquatiques), sachant que si la plupart de nos programmes scientifiques en cours concernent les milieux aquatiques, les écosystèmes terrestres font également partie de nos champs d’intérêt, en particulier les zones d’interface entre systèmes terrestres et systèmes aquatiques
  • De s’intéresser aussi bien aux procaryotes microbiens (archées et bactéries), qu’aux eucaryotes (microalgues et champignons) au sein des communautés microbiennes, ainsi que l’étude des interactions au sein de ces communautés
  • De s’appuyer à la fois sur des approches de terrain et sur des expérimentations en milieux contrôlés plus ou moins complexes (des microcosmes aux macrocosmes) dans le but de tester des hypothèses bien souvent issues des études réalisées sur le terrain
  • De coupler l’utilisation des outils de la biologie moléculaire, en particulier les nouvelles approches de séquençage à haut débit et la PCR quantitative, à ceux de la microscopie (confocale par exemple) et de la biogéochimie, mais aussi de s’investir dans le développement de nouveaux outils à l’exemple des programmes engagés sur de nouvelles approches pour la surveillance des peuplements phytoplanctoniques dans les écosystèmes.

Les travaux de l’équipe sont structurés autour de trois axes principaux de recherche :

Biodiversité structurale et fonctionnelle des communautés microbiennes et interactions au sein de ces communautés

Dans cet axe, nous nous focalisons en particulier sur i) les facteurs et processus naturels structurant ces communautés, ii) aux interactions entre espèces et interactions fonctionnelles au sein de ces communautés, et iii) à l’impact des pressions anthropiques sur la diversité structurale et fonctionnelle des communautés microbiennes.

Parmi les projets en cours dans cette thématique, nous venons de débuter des travaux portant sur l’étude du développement des biofilms à cyanobactéries dans les rivières, et en particulier de déterminer quelles sont les conditions environnementales favorisant l’installation d’une dominance par les cyanobactéries toxiques dans les biofilms de certaines rivières en utilisant des approches reposant notamment sur une caractérisation fine des communautés procaryotes et eucaryotes au sein de ces biofilms (microscopie, séquençage haut-débit sur le 16S et le 18S) et de leur environnement.
Un autre exemple des travaux engagés dans cet axe de recherche se rapporte à une étude dont la thématique générale est de mieux comprendre l’impact des changements globaux et locaux sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques urbains et péri-urbains. Cette étude porte sur l’évaluation de l’impact combiné de la température, des concentrations en nutriments et des concentrations en herbicides sur les équilibres existant entre chlorophycées, diatomées et cyanobactéries au sein des communautés phytoplanctoniques.
Enfin, un troisième exemple concerne l’étude de l’installation des communautés microbiennes dans les plans d’eau de notre plateforme expérimentale PLANAQUA à Foljuif qui fait l’objet d’un financement EQUIPEX. Nous abordons des questions telles que celles relatives à la dynamique d’installation et de diversification des communautés bactériennes et algales dans ces systèmes et aussi telles que celles relatives à la mise en place des réseaux trophiques et de leur complexification dans ces systèmes qui présenterons des niveaux trophiques différents. Par ailleurs, la possibilité de disposer de réplicas (au moins quatre par condition) nous permet de comparer la variabilité dans les trajectoires de ces écosystèmes et ainsi de déterminer, dans quelle mesure les conditions initiales contraignent leur évolution. Enfin, cette plateforme de macrocosmes est également un outil incomparable pour étudier les effets des changements globaux sur les écosystèmes aquatiques.

Rôle des communautés microbiennes dans le fonctionnement des écosystèmes

Dans cet axe, nous nous focalisons en particulier sur i) la transformation et utilisation de la matière organique par les communautés microbiennes, ii) les relations entre structure/composition des communautés microbiennes et flux de carbone et d’azote dans les écosystèmes, et iii) à l’impact des changements environnementaux (locaux et globaux) sur les processus microbiens impliqués dans la dynamique du C et de N et sur les services écosystémiques rendus par les écosystèmes.

Parmi les projets en cours dans cette thématique, nous étudions l’impact des pratiques agricoles sur la diversité chimique de la matière organique exportée et en conséquence, sur la structure et la composition des communautés microbiennes aquatiques et sur les flux de carbone au sein de ces systèmes. Ces travaux sont réalisés en France, mais également au Vietnam et au Laos en collaboration avec plusieurs équipes locales et bénéficient de divers financements.
Un autre exemple des travaux engagés dans cet axe de recherche se rapporte à l’étude des relations entre communautés phototrophes et hétérotrophes au sein des écosystèmes aquatiques. Ce programme vise plus précisément à comprendre le rôle de la diversité bactérienne de la phycosphère dans le développement des proliférations des cyanobactéries potentiellement toxiques au sein des plans d’eau. Parmi les hypothèses de travail, nous essaierons par exemple de déterminer s’il existe des échanges de nutriments, principalement d’azote, entre ces deux communautés, sachant que certaines cyanobactéries sont capables de fixer l’azote atmosphérique et d’autres non. Ces travaux reposent sur une caractérisation du métabolisme global des communautés par une approche de métatranscriptomique, et par l’étude spécifique de l’expression des principaux gènes impliqués dans le cycle de l’azote, et enfin par des mesures de flux d’azote et d’émissions de N20 au sein des consortia bactéries-cyanobactéries.

Dégradation des écosystèmes continentaux / dysfonctionnement des communautés microbiennes / risques sanitaires associés

Dans cet axe, nous nous focalisons en particulier sur i) la prolifération de cyanobactéries dans les écosystèmes aquatiques continentaux et le déterminisme de la production de toxines, de la compréhension des processus à la mise au point d’outils pour la surveillance et l’évaluation des risques, et ii) aux relations entre la qualité écologique des écosystèmes (notamment en terme de matière organique, de niveau trophique et de structure et composition des communautés microbiennes) et de la survie et/ou du développement de bactéries opportunistes ou de pathogènes d’animaux (y compris de l’Homme) et de plantes.

Parmi les projets en cours dans cette thématique, nous sommes engagés dans un programme ayant comme perspective de développer un outil intégré basé sur la PCR quantitative en conditions microfluidiques (très petits volumes), pour déterminer la quantité de cyanobactéries présente dans un échantillon d’eau ainsi que leur potentiel toxique.
Un autre exemple des travaux engagés dans cet axe de recherche se rapporte à la mise au point de nouveaux capteurs aériens pour la surveillance de ces mêmes cyanobactéries.
Enfin, plusieurs projets portent sur les relations entre qualité écologique des écosystèmes et la survie ou le développement de bactéries opportunistes et de pathogènes :
- Un premier concerne l’étude des liens entre la qualité de la matière organique dans les systèmes aquatiques, notamment son origine (apports allochtones ou production autochtone par exemple), et les risques sanitaires liés à des bactéries opportunistes ou à des pathogènes, potentiellement associés à l’utilisation de cette eau.
- Un second projet s’intéresse à une bactérie pathogène du genre Dickeya, qui provoque des pertes très importantes dans la production de pomme de terre et d’autres cultures légumières. Afin de mieux comprendre pourquoi cette bactérie pose des problèmes croissants dans certaines cultures en France, nous étudions sa dispersion et sa survie dans les milieux aquatiques, en comparant des écosystèmes présentant différents niveaux trophiques, sachant que l’infectivité de cette bactérie est augmentée en présence de phosphate.
- Un troisième projet examine l’impact de l’hydrologie sur la dissémination de témoins de contamination fécaux dans le fleuve Rouge (Vietnam). Cette étude cherche à produire un modèle de dispersion des contaminants lors des crues et des périodes de basses eaux dans la partie du fleuve Rouge localisée en aval de la ville de Hanoï.

Emma ROCHELLE-NEWALL, DR IRD, chef de l’équipe CoMIC, et Jean-François HUMBERT, DR INRA.