Diversity and microbial colonization process in biofilms on mineral substractes
Diversité et processus de colonisation microbienne sur des substrats minéraux
Résumé
The major objective of my PhD work was the analysis of the diversity of microorganisms from the three domains of life associated with phototrophic biofilms developing on different mineral substrates exposed outdoors. These studies aimed at answering questions about microbial diversity and biogeography and also at studying the colonization process through controlled exposure experiments. I have thus characterized, essentially by molecular methods based on small subunit (SSU) rRNA gene libraries and fingerprinting analyses the diversity of prokaryote and eukaryote microorganisms forming mature biofilms (exposed for several years) in various geographic sites in Northern Ireland, France and Ukraine, in the Chernobyl area. In these biofilms, subjected to strong selective pressure, we found many heterotrophic and phototrophic microorganisms, but their diversity was limited when compared to that of other environments such as soils or aquatic systems. Archaea were absent from all biofilms. The environmental conditions to which these biofilms are constantly exposed, such as irradiation, desiccation and nutrient limitation select for organisms that develop particular adaptive strategies including, among others, pigment production. The microorganisms identified in these biofilms are also frequently found in extreme, desert environments and are known for their resistance also to ionizing radiation, such as Deinococcales and Actinobacteria or ascomycete fungi (Ascomycota). Among phototrophic lineages, we identified Cyanobacteria, Chlorophyta (green algae) and sometimes Streptophyta. We showed that environmental parameters influenced biofilm microbial communities. However, whereas the bacterial community composition depends on the nature of the substrate, the microbial eukaryotic community composition depends on the geographic distance. We also carried out colonization experiences exposing outdoors the same mineral substrate in three different sites in Northern Ireland and France. The analysis of microbial diversity along the colonization process revealed important changes in community composition both for prokaryotes and eukaryotes, although the behavior of the two groups was different. In the case of bacteria, we observed a transition from Gammaproteobacteria, which dominated the initial 0-6 months and which likely corresponded to inactive dispersive cells, towards Betaproteobacteria, Bacteroidetes, Alphaproteobacteria and Actinobacteria in successive steps of biofilm formation. By contrast, since their detection on mineral substrates, eukaryotes were massively dominated by ascomycete and basidiomycete fungi, green algae and other minor components such as ciliates were detected in later stages of biofilm formation. Our results show that heterotrophic organisms are pioneers in the formation of these biofilms, leading to the hypothesis that they facilitate the settlement of Cyanobacteria and, especially, of green algae. They also show that the process of bacteria community assembly depends on colonization time whereas the geographic site determines that of eukaryotic microorganisms. These major differences might be explained by different lifestyles between organisms of the two groups
Mes travaux de recherche ont eu pour but d’analyser la diversité des microorganismes des trois domaines du vivant présents dans des biofilms phototrophes exposés à l’air, se développant sur des substrats minéraux divers, afin d’essayer, d’une part, de répondre à des questions de diversité et de biogéographie et, d’autre part, d’étudier le processus de colonisation par le biais d’expériences d’exposition contrôlées.J’ai ainsi caractérisé, essentiellement par des approches moléculaires basées sur l'analyse des banques des gènes d'ARNr de la petite sous-unité (SSU rDNAs) et sur des analyses d'empreintes communautaires, la diversité microbienne (procaryote et eucaryote) formant des biofilms matures (exposés depuis plusieurs années) dans plusieurs sites géographiques en Irlande du Nord, en France et en Ukraine, dans la région de Chernobyl. Dans ces biofilms soumis à forte pression sélective, nous avons mis en évidence beaucoup de microorganismes hétérotrophes et phototrophes, mais avec une diversité relativement restreinte en comparaison à d’autres milieux comme les sols ou les systèmes aquatiques. Les archées étaient absentes. Les conditions environnementales auxquelles ce type de biofilm est constamment exposé comme l’irradiation, la dessiccation et la limitation des nutriments sélectionnent des microorganismes qui développent des stratégies pour s’adapter comme, entre autres, la production de pigments. Ce sont des microorganismes fréquemment retrouvés dans des milieux désertiques extrêmes et résistants aussi aux radiations ionisantes qui ont ainsi été identifiés, notamment des Deinococcales et des Actinobacteria, ou encore des champignons ascomycètes (Ascomycota). Parmi les organismes phototrophes, nous avons dénombré des Cyanobacteria, des algues vertes (Chlorophyta) et des Streptophyta. Nous avons mis en évidence que les facteurs environnementaux influencent la composition des biofilms. Toutefois, tandis que la composition de la communauté bactérienne est fortement dépendante de la nature du substrat ou elle se développe, la composition des communautés microbiennes eucaryotes dépend de la distance géographique. Nous avons également mené des expériences de colonisation en exposant un même substrat minéral dans trois sites géographiques en Irlande du Nord et en France. L'analyse de la diversité microbienne lors du processus de colonisation a révélé des changements importants dans la composition des communautés, que ce soit pour les procaryotes ou pour les eucaryotes avec, cependant, des comportements différents de ces deux groupes de microorganismes. Dans le cas des bactéries, on observe une transition des Gammaproteobacteria, qui dominent les temps 0-6 mois et qui correspondent vraisemblablement aux cellules inactives en dispersion, vers des Betaproteobacteria, Bacteroidetes, Alphaproteobacteria et Actinobacteria dans des phases successives de formation du biofilm. Par contre, dès leur détection sur le substrat minéral, les eucaryotes sont massivement dominés par des champignons ascomycètes et basidiomycètes, des algues vertes ainsi que d'autres composantes minoritaires comme des ciliés, étant détectées dans des stades plus tardifs. Nos résultats montrent que les organismes hétérotrophes sont pionniers dans la formation de ces biofilms, ce qui permet d'émettre l'hypothèse qu'ils facilitent l'installation des cyanobactéries et surtout des algues vertes. Ils montrent aussi que le processus d'assemblage des communautés bactériennes dépend du temps de colonisation, alors que le site géographique détermine celui des microorganismes eucaryotes. Ces différences majeures de comportement pourraient être expliquées par des modes de vie différents entre les organismes de ces deux grands groupes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)