Faculté des sciences

A molecular approach to microeukaryotic diversity, ecology and biogeography associated with Sphagnum mosses

Singer, David ; Lara, Enrique (Dir.) ; Mitchell, Edward AD (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

Malgré le fait que les micro-eucaryotes composent la majeure partie de la biodiversité terrestre et jouent de nombreux rôles essentiels dans le maintien des écosystèmes, la connaissance de leur diversité, de leur écologie ainsi que de leurs aires de répartition reste très lacunaire. Dans ce sens, les objectifs de cette thèse sont 1) d’accroître la connaissance de la diversité des... Plus

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    Résumé
    Malgré le fait que les micro-eucaryotes composent la majeure partie de la biodiversité terrestre et jouent de nombreux rôles essentiels dans le maintien des écosystèmes, la connaissance de leur diversité, de leur écologie ainsi que de leurs aires de répartition reste très lacunaire. Dans ce sens, les objectifs de cette thèse sont 1) d’accroître la connaissance de la diversité des micro-eucaryotes 2) de caractériser les préférences écologiques et de déterminer quelles sont les principales variables qui influencent la composition des communautés et enfin 3) de comprendre les règles qui dirigent les communautés à l’échelle locale et globale. Pour atteindre ces objectifs, un milieu spécifique a été sélectionné : la "sphagnosphère", celui-ci désigne l’eau interstitielle sous l’influence des mousses de sphaignes (Sphagnum). Cet environnement est un excellent modèle en biologie car il se caractérise par une faible teneur en éléments nutritifs, un faible pH, des quantités élevées d’acides organiques et une grande stabilité dans le temps.
    Nous avons d’abord exploré la diversité de deux groupes de protistes vivant dans les sphaignes. Le premier groupe est le genre Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), un groupe d’amibes à thèque composé d’espèces étroitement apparentées. Nous avons décrit formellement la plus abondante et l’avons nommée Nebela gimllii en raison de la taille de sa thèque. Les différents profils de communautés ont révélé que les espèces ne sont pas distribuées de manière aléatoire dans les tourbières. Au contraire, nous avons observé un fort groupement phylogénétique dans les zones oligotrophes, ce qui suggère que les teneurs faibles en azote exercent une forte pression environnementale. Nous avons également étudié la diversité moléculaire du clade d’Oomycota. Ce sont des stramenopiles qui se composent de nombreux parasites d’animaux, de champignons et de végétaux, ainsi que d’espèces saprotrophes. Nous avons révélé une grande diversité dans ce clade ce qui était inattendu pour des organismes osmotrophes vivant dans des habitats oligotrophes. De plus, la plupart des phylotypes trouvés ne sont pour le moment pas décrits morphologiquement ni génétiquement, ce qui suggère l’existence d’organismes hautement spécialisés.
    Nous avons également étudié la diversité des micro-eucaryotes vivant dans des Sphaignes situées à différentes altitudes dans trois zones climatiques différentes : tempérée (Suisse-France-Italie), subtropicale (Japon) et tropicale (Costa Rica). Nos résultats suggèrent que 25% des phylotypes étaient communs dans ces trois zones. Nous avons également trouvé une corrélation significativement négative entre la quantité de phylotypes liés aux organismes mixotrophes et des températures élevées. Cela suggère que la mixotrophie est désavantageuse dans un climat chaud. Enfin, nous avons étudié la répartition spatiale d’une espèce emblématique d’amibe à thèque trouvé dans les tourbières de l’hémisphère nord: Hyalosphenia papilio. Un total de 13 lignées ont été trouvées, dont neuf présentent des distributions restreintes et quatre sont bien réparties dans tout le domaine holarctique. Nous avons montré, sur la base de reconstructions phylogénétiques et d’une reconstitution des caractères ancestraux, que l’origine de H. papilio se situe probablement sur la côte ouest de l’Amérique du Nord.
    En résumé, ma thèse démontre que l’environnement « sphagnosphère » accueille une diversité élevée et unique de micro-eucaryotes. Cette diversité est influencée par des variables environnementales physicochimiques à l’échelle locale mais également par le climat et la distance géographique à l’échelle mondiale. Nous avons identifié et quantifié les principales variables abiotiques locales (à savoir la microtopographie et la teneur en azote) qui influencent fortement les communautés au sein d’une même zone climatique. Ces variables ont exercé un fort effet de filtre environnemental, qui semble être un processus fondamental dans la mise en place des communautés. De plus, à l’échelle mondiale, nous avons démontré que la température était le principal paramètre influençant la composition de la communauté, et notamment l’abondance mixotrophique. Aux deux échelles, la composition des communautés, et donc les interactions biotiques (et probablement le fonctionnement des écosystèmes), changent radicalement.
    Summary
    Despite the fact that free-living microeukaryotes compose the major part of Earth’s biodiversity and play numerous essential roles in ecosystems, knowledge on their true diversity, ecology and their global patterns of distribution remain limited. In this sense, the objectives of this thesis are 1) to increase the knowledge on the diversity of microeukaryotes 2) characterize the ecological preferences and determine which are the main variables that influence community composition, and finally 3) to understand the rules that shape the communities at both local and global scales. To meet these objectives a specific component of the earth surface was selected: the “Sphagnosphere” i.e. the interstitial water directly influenced by Sphagnum mosses. This understudied but unique microenvironment is characterized by low nutrient contents, low pH, and high amounts of organic acids produced by the mosses. It is also very stable over time.
    We first explored the diversity of two groups of protists in Sphagnum peatlands. The first group was genus Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), a common testate amoeba taxon in acidic soils. We formally described the most abundant one and named it Nebela gimllii due to the small and stout shells. The different community profiles revealed that species are not randomly distributed among microhabitats in peatlands. Instead, we observed a strong phylogenetic clustering in nitrogen-poor areas suggesting that little amounts of nitrogen exerted strong environmental filtering. We also surveyed the molecular diversity of Oomycota, a clade of fungi- like stramenopiles which enclose many animal, fungi and plant parasites, as well as saprotrophic species. We revealed a high diversity, which was unexpected for osmotrophic organisms in nutrient-poor habitats unless most are parasitic. Moreover, most phylotypes found were not recorded in previous studies, which suggest the existence of highly specialized organisms.
    We also surveyed the diversity of microbial eukaryotes along altitudinal gradients in three different climatic zones, temperate (western Alps), subtropical (Japan) and tropical (Costa Rica). We showed that 25 percent of phylotypes were shared in the three climatic zones. We found also a significant negative correlation between the proportion of phylotypes related to mixotrophic organisms and temperature. This, in line with other lines of evidence in the literature corroborates the idea that mixotrophy is disadvantageous under warm climates. Finally, we studied the spatial distribution of an emblematic morphospecies of testate amoeba found in the northern hemisphere peatlands: Hyalosphenia papilio. A total of 13 lineages were found, from which nine showed narrowly restricted distributions, and four were well distributed across the Holarctic realm. We showed, based on phylogenetic analyses and ancestral character reconstructions that H. papilio most probably appeared somewhere in the West Coast of North America.
    In summary, my PhD revealed that the Sphagnosphere environment hosts high and unique diversity. This diversity is driven by physicochemical factors at the local scale and by climate and geographical distance at the global scale. We identified and quantified the main local abiotic variables, amongst which micro-topography and nitrogen content appeared to be the most significant in shaping micro-eukaryotic diversity within the same climate zone. These variables exerted strong environmental filtering, which appeared to be fundamental process of community assembly. On the other hand, at a global scale, we demonstrated that temperature was the factor that best explain community composition, and notably the abundance of mixotrophs (and hence a different functioning). At both scales, community composition, and therefore biotic interactions (and most probably ecosystem functioning) change drastically.