The seasonal structure of microbial communities in the Western English Channel

1. The seasonal structure of microbial communities in the Western English Channel Jack A. Gilbert and al. Environnemental Microbiology (2009) 11 (12), 3132-3139 Morgane DIDRY et Lucie SOLER M1 DOM 106

2. La diversité bactérienne marine Les communautés microbiennes sont complexes et très variées : l’océan contiendrait 1029 bactéries Grande responsabilité dans le cycle biochimique de la planète Caractérisation des communautés bactériennes seulement dans quelques sites océaniques

3. La diversité bactérienne marine Notion de « biosphère rare » Nombreuses études dont The Global Ocean Survey (Rush et al., 2007) • mise en évidence d’un fort pourcentage de séquences uniques = grande diversité Mais • erreurs liées au techniques de clonage et de séquençage • zones géographiques étendues

4. La diversité bactérienne marine Notion de « biosphère rare » Développement des technologies de séquençage des génomes : pyroséquençage

5. Principe du pyroséquençage Le pyroséquençage est une technique de • séquençage par synthèse • révélation en temps réel de l’activité de l’ADN polymérase qui ajoute un seul nucléotide à la fois.

6. Principe du pyroséquençage Le pyroséquencage se déroule en 5 étapes Etape 1 :

7. Principe du pyroséquençage Etape 2 :

8. Principe du pyroséquençage Etape 3 :

9. Principe du pyroséquençage Etape 4 : Etape 5 :

10. Pyroséquençage pyroséquençage à haut-débit séquences lues temps du séquençage coûts

11. Buts de l’étude Gilbert et coll. • Recenser la diversité bactérienne marine dans une zone géographique limitée • Améliorer la compréhension des mécanismes qui conduisent à la structure des communautés bactériennes dans cet écosystème

12. Recenser la diversité bactérienne Caractérisation de la communauté bactérienne: - utilisation du pyroséquençage à haut débit technique 454 - prélèvements mensuels pendant un an - en surface - au large de Plymouth

13. N 6 Km Carte 1. Site de prélèvement des échantillons

14. Structure des communautés bactériennes Existe-t-il des liens de corrélation entre : - diversité bactérienne - modifications intra-annuelles du milieu

15. Western Channel Observatory Référence océanographique dans le domaine de la biodiversité marine dans la Manche occidentale. Longue histoire (> 100 ans) de prélèvements collectés au large de Plymouth  abondance de données biologiques, physico-chimiques, climatiques… Excellent site pour la modélisation d’écosystème et la télédétection par satellite

16. Grande diversité bactérienne Echantillons prélevés (~14000 séquences / échantillon). Forte proportion de séquences (~180000 séquences) Peu de taxons ubiquitaires (0,5 % correspondant à 54% des séquences) Forte diversité totale (~17500 taxons uniques) Présence d'un très grand nombre de gènes (7000 genres) La plupart des lignées sont rares et divergentes. Figure 1. Courbe de raréfaction des différentes UTOs prélevées tout au long de l’année

17. Diversité en fonction de la période de l'année Les séquences ont été identifiées par annotation. 84 % sont d'origine bactérienne  35 phyla identifiés SAR11 (Alphaprotéobactérie) compte pour 12,5 % des séquences totales. Richesse : - la plus forte en Février-Mars - pics mineurs en Mai, Juin-Juillet et Aout-Septembre Dominance = degré dont les individus sont répartis d'une façon équitable ou non entre les espèces → haute toute l'année (0,940 – 0,982) → pics en Février-Mars et Juin-Juillet, qui traduisent une dominance par un petit nombre de taxons Figure 2. Dominance au cours de l'année

18. Gammaprotéobactéries Alphaprotéobactéries Cyanobactéries Bacteroidetes Autres... Figure 3. Abondance relative des taxons bactériens les plus fréquents Diversité en fonction de la période de l’année Abondance relative = nombre d'individus d'une même espèce par rapport au nombre total d'individus Abondance relative (%) Echantillons prélevés chaque mois

19. Diversité en fonction de la période de l’année Mai Mar Juin Fév Juil Avr Oct Aou Sep Mar Déc Figure 5. Matrice d'un modèle saisonnier Nb d'OTUs Autres... Diversité relative : Alphaprotéobactéries et Bacteroïdes sont encore les groupes les plus diversifiés. Tendance dans la diversité au cours de l'année globalement identique chez tous les taxons bactériens. Actinobactéries Cyanobactéries Gamma protéobactéries Bacteroïdes Alpha protéobactéries Figure 4. Diversité des 10 premiers taxons bactériens • Succession saissonière : - grand changement entre fin Mars et fin Avril - retour vers les conditions hivernales dès fin Juillet La structure saisonnière de la communauté semble être entrainée par les organismes les plus abondants.

20. La structure de la communauté est fonction de la température et des nutrients Des changements temporels dans l'assemblage total sont corrélés avec des combinaisons de : Température → influence importante démontrée sur les changements de structure des communautés bactériennes (Fuhrman et al., 2008) Phosphate → limite la productivité planctonique Silicate → proxy de la concentration en nutriments (Repka et al., 2004) Analyses sur les 10 phyla les plus abondants : - Combinaison température-SRP : changements parmi les Alphaprotéobactéries, Actinobactéries, Bacteroidetes et Gammaprotéobactéries. - Combinaison température-SRP-silicate : changements dans les communautés de Cyanobactéries. - Température, combinée à une abondance de nanoeucaryotes et coccolithophores : changements chez les Betaprotéobactéries → interaction trophique entre ces taxons ?

21. Pour conclure La caractérisation des communautés bactériennes reste très incomplète  nécessité des séquençages à haut débit

22. Pour conclure L’identification des facteurs qui contrôlent les populations bactériennes encore très largement inconnus  Evaluer l’impact environnemental sur la diversité bactérienne Facteurs environnementaux connus • Température • Nutrients Intérêt des études actuelles sur SAR11, Pelagibacter ubique peut être cultivé • Poursuivre la surveillance de la diversité bactérienne  Rechercher des variations inter-annuelles

23. Références Fuhrman, J.A., Steele, J.A., Hewson, I., Schwalbach, M.S., Brown, M.V., Green, J.L., and Brown, J.H. (2008) A latitudinal diversity gradient in planktonic marine bacteria. Proc Natl Acad Sci USA 105: 7774–7778. 19. Rusch, D.B., Halpern, A.L., Sutton, G., Heidelberg, K.B., Williamson, S., Yooseph, S., et al. (2007) The Sorcerer II Global Ocean Sampling expedition: northwest Atlantic through eastern tropical Pacific. PLoS Biol 5: 398–431. Sogin, M.L., Morrison, H.G., Huber, J.A., Mark Welch, D.,Huse, S.M., Neal, P.R., et al. (2006) Microbial diversity in the deep sea and the underexplored ‘rare biosphere’. ProcNatl Acad Sci USA 103: 12115–12120. Southward, A.J., Langmead, O., Hardman-Mountford, N.J., Aiken, J., Boalch, G.T., Dando, P.R., et al. (2005) Longterm oceanographic and ecological research in the Western English Channel. Adv Mar Biol 47: 1–105. http://www.pyrosequencing.com/DynPage.aspx?id=7454 http://www.westernchannelobservatory.org.uk El Fahime E., Ennaji M. M. (2007).Evolution des techniques de séquençage. Les technologies de laboratoire- N°5 Juillet-Août