Necessity, potential and limitations of the molecular taxonomic unit approach for analyzing environmental fish DNA biodiversity
Nécessité, potentiel et limitations de l’approche en unités taxonomiques moléculaires pour analyser la biodiversité de l’ADN environnemental des poissons
Résumé
The speed and intensity of global change requires new means of observing biodiversity that are rapid, non-destructive, standardized, widely deployable and in remote ecosystems (deep sea). Conventional inventory methods are based on morphological or acoustic identification of species, which are costly in terms of time and expertise. Beyond these signals, animals also leave traces of DNA in their environment in the form of dermal cells, mucus or feces. The metabarcoding of this environmental DNA (eDNA) consists in collecting this DNA, amplifying and sequencing it to identify the species present using a genetic reference database. However, these reference databases are incomplete, which severely limits the potential of eDNA. The aim of this thesis is to develop an alternative approach based on molecular taxonomic units (MOTUs) to analyze the biodiversity of aquatic macroorganisms, and more particularly that of bony fish. I first performed a global and spatialized synthesis of the taxonomic coverage of the genetic reference database for all bony fishes, which shows an under-representation of species in the tropical zone as well as taxonomic gaps for endangered and non-indigenous species. Only 13% of fish species are sequenced for the most common marker, which excludes any ambition for an exhaustive analysis of biodiversity using only species-level assignments in the short or medium term. Consequently, I have developed a bioinformatics pipeline to generate estimates of diversity using molecular taxonomic units (MOTUs) by fish family. It shows how this MOTU diversity represents an excellent proxy for species diversity at different spatial scales. Then an application of eDNA metabarcoding and the MOTUs approach allowed to estimate the functional diversity, based on species traits, and the phylogenetic diversity, based on the evolutionary history of the species, of tropical fishes in a more exhaustive way than traditional methods (videos, dives). Finally, in a first global analysis of coral reef diversity in eDNA, which brings together 251 samples collected from the Indian Ocean to the Caribbean, the MOTUs approach allows the reconstruction of major trends in fish biogeography but also reveals local spatial heterogeneity hitherto underestimated. While it is now crucial to set up efficient, non-specialist dependent and high temporal frequency monitoring methods to better understand the effects of global changes on biodiversity, this work demonstrates the full potential of eDNA using a MOTUs approach to build robust indicators of several facets of biodiversity at several scales, but also to test theoretical hypotheses underlying the distribution of this biodiversity.
La vitesse et l’intensité des changements globaux nécessitent de nouveaux moyens d’observations de la biodiversité qui soient rapides, non-destructifs, standardisés, déployables à large échelle et dans les écosystèmes les plus reculés (océan profond). Les méthodes de recensement classiques reposent sur l’identification morphologique ou sonore des espèces, mais celles-ci sont coûteuses en temps et en expertise. Au-delà de ces signaux, les animaux laissent aussi des traces d’ADN dans leur environnement sous la forme de cellules dermiques, de mucus ou de fèces. Le metabarcoding de cet ADN environnemental (ADNe) consiste à le collecter, l’amplifier et le séquencer pour identifier les espèces présentes grâce à des bases de séquences génétiques de référence. Or, ces bases de référence sont incomplètes, ce qui limite fortement le potentiel de l’ADNe pour révéler la biodiversité présente. Cette thèse a pour but de développer une approche alternative basée sur des unités taxonomiques moléculaires (MOTUs) pour analyser la biodiversité des macroorganismes aquatiques, et plus particulièrement celle des poissons osseux. J’ai tout d’abord réalisé une synthèse globale et spatialisée de la couverture taxonomique des bases de référence de séquences génétiques pour tous les poissons osseux, qui montre une sous-représentation des espèces de la zone tropicale ainsi que des lacunes concernant les espèces menacées et non-indigènes. Seules 13% des espèces de poisson sont séquencées pour le marqueur le plus commun, ce qui exclut toute ambition d’analyse exhaustive de la biodiversité par assignation aux espèces à court et moyen terme. En conséquence, j’ai développé un pipeline bio-informatique pour générer des estimations de la diversité en unités taxonomiques moléculaires (MOTUs) par famille de poissons. Les résultats démontrent que cette diversité en MOTUs représente un excellent proxy de la diversité en espèces à différentes échelles spatiales. Ensuite une application du metabarcoding de l’ADNe et de l’approche en MOTUs a permis d’estimer la diversité fonctionnelle, basée sur les traits des espèces, et la diversité phylogénétique, basée sur l’histoire évolutive des espèces, des poissons tropicaux de manière plus exhaustive que des méthodes traditionnelles (vidéos, plongées). Enfin, dans une première analyse globale de la diversité des récifs coralliens en ADNe, qui rassemble 251 échantillons récoltés depuis l’Océan Indien jusque dans les Caraïbes, l’approche en MOTUs permet de reconstruire les gradients biogéographiques des poissons mais aussi de révéler une hétérogénéité spatiale locale jusqu’alors sous-estimée. Alors qu’il est aujourd’hui crucial de mettre en place des méthodes de suivi efficaces, non dépendantes de spécialistes et à haute fréquence temporelle pour mieux comprendre les effets des changements globaux sur la biodiversité, ces travaux démontrent tout le potentiel de l’ADNe avec approche en MOTUs pour construire des indicateurs robustes de plusieurs facettes de la biodiversité à plusieurs échelles, mais aussi tester les hypothèses théoriques sous-jacentes à la distribution de cette biodiversité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)