Écologie, systématique et évolution

Le projet CYANOCAT étudie un processus biominéralogique découvert récemment, par lequel des cyanobactéries d’eau douce précipitent, en se divisant, des anneaux d’oxydes de fer et de manganèse. Pouvant atteindre des densités cellulaires élevées, ces bactéries produisent de grandes quantités d’anneaux. Ce mécanisme pourrait être une voie méconnue mais importante de piégeage et de recyclage des métaux. En concentrant le Fe et le Mn — deux éléments essentiels mais parfois limitants ou toxiques pour les bactéries, notamment photosynthétiques — ces cyanobactéries pourraient moduler la disponibilité du Fe–Mn, la chimie du carbone organique dissous ou encore la dynamique des métaux traces dans les milieux d’eau douce. Cependant, la distribution phylogénétique de ces bactéries, leur prévalence, les mécanismes moléculaires du processus — en particulier de concentration du Fe dans des conditions où il est supposé peu disponible — ainsi que son impact biogéochimique restent inconnus. CYANOCAT développera une approche intégrée associant géochimie, minéralogie et génomique, pour (i) déterminer la distribution phylogénétique et environnementale de ces cyanobactéries, (ii) identifier les gènes et voies métaboliques impliqués dans la biominéralisation, (iii) quantifier leur contribution aux cycles locaux du Fe, du Mn et des métaux traces. Un consortium pluridisciplinaire associant spécialistes en géochimie/minéralogie (IMPMC, LSCE) et écologie microbienne/génomique (MCAM, ESE) mènera des campagnes de terrain pour analyser les colonnes d’eau et sédiments de plusieurs lacs. Une large gamme d’outils sera mobilisée : cytométrie en flux, microscopies, analyses synchrotron, génomique comparative, métabarcoding et cultures. En révélant un maillon manquant du cycle des métaux dans les eaux douces, CYANOCAT pourrait redéfinir notre compréhension du fonctionnement géochimique de certains lacs et identifier une nouvelle stratégie microbienne de séquestration et d’utilisation des métaux.

Le projet se focalise sur d'anciennes spores de diatomées Chaetoceros récupérées dans des carottes de sédiments marins de l'Antarctique datant de 10 000 ans, avec la possibilité de remonter encore plus loin dans le temps. Le succès sans précédent que nous avons obtenu récemment en faisant revivre ces spores offre une occasion unique d'étudier les adaptations génomiques et physiologiques à travers les échelles de temps de l'évolution dans un système vivant. Nous utiliserons des méthodologies avancées, notamment le séquençage du génome entier, la transcriptomique « spike-in » et le paléo Hi-C pour étudier comment le génome de ces spores a survécu à des périodes prolongées de dormance et reste prêt à se réactiver. Des cellules seront réactivées à partir de spores d'âges différents et leurs capacités d'adaptation aux facteurs de stress environnementaux tels que la lumière, la température, la salinité et les nutriments seront évaluées afin d'obtenir des informations sur les conditions climatiques passées, sur la base d'analyses de paléomarqueurs des mêmes carottes. La nouveauté du projet réside dans la génération de données génotype-phénotype-environnement à haute résolution à partir d'organismes vivants pour la première fois sur des échelles de temps millénaires. En intégrant ces données génomiques, physiologiques et écologiques, nous visons à améliorer notre compréhension de la manière dont une espèce marine clé s'est historiquement adaptée aux changements environnementaux, ce qui contribuera aux efforts visant à prévoir leur résilience future dans une région qui évolue rapidement en raison du changement climatique mondial. L'approche interdisciplinaire, qui combine la biologie moléculaire, la paléocéanographie et l'écophysiologie du phytoplancton, permettra d'obtenir des informations sans précédent sur les mécanismes de survie à long terme des diatomées marines et, plus généralement, sur la manière dont un génome eucaryote peut rester viable pendant des millénaires.

Les inversions sont des réarrangements chromosomiques qui peuvent former des combinaisons d’allèles bénéfiques controlant des phénotypes adaptatifs. Les inversions peuvent être polymorphes au sein des espèces ou peuvent être fixées entre espèces. Les inversions sont identifiées dans un nombre croissant d’espèces d’animaux, de plantes et de microorganismes. Néanmoins, les forces évolutives jouant sur l’évolution des inversions sont encore mal connues. Le projet « INVERPATH » a pour objectifs d’étudier les rôles de la sélection naturelle et des flux de gènes dans la formation et le maintien des inversions chromosomiques chez des champignons pathogènes. Chez le champignon forestier envahissant <i>Cryphonectria parasitica</i>, j’ai révélé une inversion d’environ 1 Mb, qui est maintenue polymorphe dans les populations européennes et contient des <i>Starships</i> (transposons géants pouvant transporter des gènes jouant des rôles adaptatifs). Grâce à des expériences <i>in vitro</i> et en serres et des analyses d’expression géniques, je testerai le rôle adaptatif de l’inversion pour la spécialisation à l’hôte de <i>C. parasitica</i>, sa résistance à un virus causant une hypovirulence et son adaptation à différentes températures. Afin d’étudier l’origine de l’inversion, je testerai l’association entre l’inversion et la présence des <i> Starships</i> grâce au séquençage de plusieurs populations natives asiatiques de <i>C. parasitica</i> et quatre espèces proches, et je rechercherai des signatures d’introgressions ou de transferts horizontaux. Par ailleurs, j’étudierai le rôle des inversions comme barrières aux flux de gènes chez deux espèces de champignons du genre <i>Microbotryum</i> , <i>M. lychnidis dioicae</i> (MvSl) et <i>M. silenes-dioicae</i> (MvSd), spécialisées à leurs hôtes respectifs (<i>Silene latifolia</i> et <i>S. dioica</i>). J’étudierai le rôle des inversions dans la spécialisation, sur des populations naturelles et chez des individus hybrides F2 générées expérimentalement en serre. Ce projet permettra d’améliorer notre compréhension du rôle des inversions et des éléments mobiles dans l’adaptation des agents pathogènes à un nouvel environnement ou nouvel hôte.

L’analyseur de carbone dissous demandé permettra de quantifier le carbone organique dissous (COD) composant principal des matières organiques dissoutes (MOD) des sols, rivières, lacs ou eaux souterraines, i.e. la MO de taille inférieure à 0,45 µm par convention. Il permettra également de quantifier la fraction inorganique dissoute du carbone dans les eaux et les solutions, i.e. le carbone inorganique dissous (CID). Le projet d’achat est motivé par la nécessité de pouvoir quantifier ces paramètres dans les eaux de surface et souterraines ainsi que dans les sols pour mieux comprendre : 1) la dégradation des peintures pariétales dans les grottes sujettes aux vermiculations ; 2) l’écologie microbienne et la formation de microbialites dans les écosystèmes continentaux ; 3) la libération du COD au cours de la fonte du pergélisol participant au changement climatique et 4) les interactions entre les matières organiques dissoutes et les contaminants environnementaux dans les systèmes miniers anciens et leurs relations avec les remédiations. Cet équipement intègrera la plateforme PANOPLY, au sein du pôle géochimie, et sera localisé à GEOPS.

The main goal of BlueGreen Governance is to develop innovative land-sea governance schemes based on scientific evidence and societal choices. The current management of oceans, seas and coasts is fragmented across multiple institutional layers and policy areas and based on past experience. BlueGreen Governance pursues an innovative approach to the governance of the seas and coastal areas that: promotes integration between institutional layers and across policy sectors with a clear impact on the use of the land and the sea; involves and engages citizens in decision-making processes, while at the same time including scientific evidence; responds predictively to changing physical conditions as indicated by scientific evidence as well as indigenous and local knowledge and citizen science; and uses e-governance tools in support of the previous three points. With this focus and approach, the project responds to the need for better-informed decision-making processes, social engagement and digital innovation while promoting more harmonious and effective science-policy-society interfaces. The promotion of better science-policy, science-society and society-policy interactions will be embedded in the digital transformation and application of e-governance tools for co-design and service delivery. BlueGreen Governance will implement and assess these innovative governance schemes in 8 cases across several European regions and sea basins and will draw lessons on how to trigger and facilitate effective institutional change via capacity building. The cases are: Comunidad Valenciana; North Adriatic; the Solent; Western Scheldt; Oslofjord; Canary Islands and Reunion. With this geographical scope, the project will investigate five marine basins (Western Mediterranean Sea, Eastern Mediterranean Sea, North Sea, Atlantic Ocean and Indian Ocean), including one transnational marine basin (i.e. the North Adriatic case) and one transnational river basin (i.e. the Western Scheldt case).

AWARD recognises the urgency of action due to water scarcity and climate change impacts as well as the need to engage simultaneously the society, the science and the policy into the development of knowledge and strategic water planning. Therefore, AWARD will provide evidence-based solutions to consider AWRs into water supply strategic plans, based on socio-political engagement. The 4 Demo Cases of AWARD are already implementing AWRs (storm water, rainwater and aquifer recharge in Bucharest in Romania as well as in Milano in Italy; water reuse in Cyprus, storm water and rainwater in an industrial park in Santiago di Compostel in Spain). Through the project activities, Demo Cases will consider scaling up their actions taking in account a broader range of AWRs together with conventional water resources for planning future water supply systems at local or regional level using AWARD instruments (Local Water Fora, Digital Platform for decision making, training and guidance). They will address similar issues in a harmonised and coordinated way. Societal awareness to support the decision process on AWRs supply solutions will lead to the recommendations for further use of AWRs encompassing the 4 dimensions of social innovation (Technological, Capacity development, Governance & Policy, Economics & assessment). The AWARD AWRs catalogue will gather the project results and additional solutions which will be benchmarked. The digital platform provided by AWARD will support the exploration of resilient scenarios that will be promoted beyond the scope of the project thanks to dedicated networking activities. AWARD general objective is to provide evidence-based knowledge and lessons learnt on how to effectively integrate affordable, acceptable and reliable AWRs solutions into water supply strategic planning and implementation considering the effect of global changes.

Recent advances in environmental microbiology, metagenomics and phylogenomics strongly suggest that the eukaryotic cell evolved from symbiotic consortia involving an Asgard archaeon and, at least, the alphaproteobacterial ancestor of the mitochondrion. However, many genes of prokaryotic origin in the last eukaryotic common ancestor (LECA) appear to originate neither from archaea nor alphaproteobacteria, suggesting that other bacteria (e.g. Deltaproteobacteria) may have contributed to eukaryogenesis as additional symbionts or gene donors. To ascertain the origin of these genes, it is essential to better understand the ecology of symbiotic microbial consortia involving Asgard archaea (AA), and in particular, to identify the partners with which they interact in natural ecosystems. In this project, I will combine metagenomics, phylogenomics, fluorescence-activated single-cell/consortium sorting, high-throughput microfluidics, state-of-the-art fluorescence and electron microscopy techniques and cultivation approaches to identify and characterize members of AA syntrophic consortia and their associated viruses in a broad variety of microbial mats and oxygen-poor environments. With this information, I aim to i) identify the partners of AA syntrophic consortia across ecosystems, determine whether they co-evolve and unravel their ecological preferences; ii) characterize the metabolic interactions and phenotypic properties of AA symbiotic consortia in culture and/or from sorted consortia populations; iii) characterize the cell ultrastructure and potential presence of endomembranes in members of AA consortia, their three-dimensional organization and their spatial distribution in microbial mats; and iv) identify potential bacterial symbiotic partners involved in eukaryogenesis, in addition to the mitochondrial alphaproteobacterial ancestor, and/or gene donors to the LECA or its Asgard archaeal ancestor. Our results should substantially advance understanding of eukaryogenesis.

Le rôle des écosystèmes forestiers dans la crise écologique planétaire en cours est essentiel et pourtant nous sommes loin d’avoir compris l’ensemble des facteurs qui agissent sur la nutrition des forêts et qui conditionnent leur aptitude à agir sur le climat et à y réagir. Les services écosystémiques que rendent les forêts sont limités par les stress hydriques et en nutriments qui les menacent. Si le cycle de l’eau, du carbone, de l’azote et du phosphore ont fait et font l’objet de nombreuses études, l’attention n’a pas été assez portée aux nutriments essentiels minéraux dont l’origine ultime ne peut être que l’altération des roches. Ce projet vise à améliorer notre connaissance des processus de nutrition minérale par les arbres en et particulier de démêler la part des nutriments minéraux qui vient du recyclage biologique par la plante elle-même de celle qui vient des apports externes comme l’altération des minéraux ou les retombées atmosphériques. Cette distinction entre apports externes et recyclage est une des clés pour l’amélioration de modèles numériques écophysiologiques actuels. Pour se faire, nous proposons d’utiliser les isotopes du bore qui ont récemment prouvé leur potentiel pour distinguer les sources et les processus affectant les nutriments minéraux. Nous basons le projet sur une approche en échelles allant de l’expérimentation en conditions contrôlées dans des ECOTRONS à celle du bassin versant. Le projet repose sur l’utilisation d’infrastructures communautaires nationaux qui mettent à disposition des sites expérimentaux permettant d’explorer des gradients environnementaux et d’une exceptionnelle parcelle expérimentale au Brésil où sont pratiqués des amendements en bore. L’originalité de ce projet tient dans son consortium scientifique car les communautés qui construisent des modèles écophysciologiques et les communautés qui étudient et modélisent l’altération chimique ne se rencontrent pas assez.

Les forêts tempérées fournissent des services écosystémiques essentiels. Leur capacité à s'adapter au changement climatique est alors une préoccupation majeure. Des orientations stratégiques dans les pratiques de gestion pour une régénération durable des forêts sont nécessaires mais entravées par notre manque de compréhension des dynamiques de reproduction des arbres, en particulier chez les espèces présentant de fortes variations inter-annuelles synchronisées des fructifications (masting). Notre programme de recherche vise à étudier le masting du hêtre (Fagus sylvatica) et du chêne sessile (Quercus petraea), deux espèces d’importance écologique et économique majeures dans les forêts tempérées européennes. Notre objectif principal est d'acquérir des connaissances fondamentales sur les mécanismes et les trajectoires évolutives du masting, et de les traduire dans des recommandations opérationnelles pour optimiser les pratiques de régénération forestière. Les hêtres et les chênes présentent des dynamiques de fructification très contrastées suggérant que les principaux déterminants sont de nature différente. Les hêtres ont des dynamiques cycliques et biennales marquées, très synchronisées au sein et entre les populations. Les chênes présentent des dynamiques de fructification plus imprévisibles, avec une synchronicité limitée entre et au sein des populations. En nous éloignant de la vision dichotomique qui fait consensus, REGEMAST propose que les différences entre chênes et hêtres reposent principalement sur la phénologie de développement de la floraison, et à la variabilité génétique associée à ces traits phénologiques. Par ailleurs, le masting est généralement considéré comme un moyen efficace de réguler les consommateurs spécialistes de graines. Nous faisons l'hypothèse que les différences de stratégies de masting entre chênes et hêtres résultent de pressions sélectives distinctes exercées par les insectes parasites des graines. Les hêtres sont confrontés à une seule espèce de Lépidoptère au cycle de vie annuel. L’alternance d’années avec et sans fruits, ainsi que la forte synchronicité des arbres devraient contrôler efficacement ce parasite. En revanche, les chênes tempérés doivent faire face à cinq espèces spécialistes (un papillon et quatre espèces de charançons) avec des cycles de vie de un à trois ans. Cette diversité de parasites devrait avoir favorisé l'évolution de traits induisant de fortes fluctuations interannuelles stochastiques des productions de fruits. Dans le contexte du changement climatique, la dynamique de régénération forestière ne dépend pas seulement de l'avenir du masting mais aussi de son efficacité dans le contrôle des consommateurs spécialisés. Il est attendu que les trajectoires du masting et du succès de la régénération forestière puissent diverger significativement dans les prochaines décennies, en fonction de l'espèce considérée, des caractéristiques édaphiques, des conditions climatiques et de la diversité génétique des populations. Le programme REGEMAST prévoit quatre ‘work Packages’ (WP). Le WP1 vise à décrire le masting du chêne et du hêtre dans différentes populations réparties sur un large gradient climatique et à évaluer l'efficacité du masting dans le contrôle des dynamiques des insectes consommateurs de graines. Le WP2 identifiera les déterminants environnementaux et les traits impliqués dans deux processus majeurs : la limitation du pollen et l'induction florale. Il mesurera également les contributions génétiques à ces traits dans les populations de chênes et de hêtres. Le WP3 développera des modèles pour évaluer le poids relatif de ces mécanismes et comprendre comment les traits liés au masting peuvent évoluer sous la pression de sélection exercée par les insectes. Le WP4 s’inspirera des connaissances issues des autres WPs pour élaborer des outils et des recommandations visant à améliorer la gestion de la régénération forestière dans le contexte du changement climatique.

Les Nocardioses sont des infections aux bactéries du genre Nocardia. Les Nocardia sont opportunistes et infectent des patients immunodéprimés ou ayant des pathologies sous-jacentes et sont considérées comme des pathogènes émergents. Les foyers d’infections sont notamment les poumons ainsi que le cerveau ou la peau. Les nocardioses les plus sévères sont traitées par une association de plusieurs antibiotiques administrés pendant une longue période. La prise en charge clinique des formes de nocardioses les plus graves (cérébrales ou systémiques) est souvent ponctuée d’échecs thérapeutiques et associée à un mauvais pronostic de survie des patients. La difficulté du traitement des nocardioses corrèle avec les différences de sensibilité aux antibiotiques d’une souche de Nocardia à l’autre. La résistance aux antibiotiques des Nocardia est toutefois peu étudiée. Dans ce contexte, ce projet de recherche visera à définir la sensibilité aux antibiotiques des souches de Nocardia les plus fréquemment rencontrées en clinique. Dans un premier temps, grâce aux séquençages du génome des souches cliniques de Nocardia, nous identifierons la présence des gènes connus pour conférer la résistance aux antibiotiques. Un focus particulier portera sur l’identification des bêta-lactamases et des N-acétyltransférases conférant respectivement la résistance aux bêta-lactamines et aux aminoglycosides. Des tests enzymatiques confirmeront l’activité des protéines purifiées à modifier les antibiotiques. Le profil d’expression des gènes correspondants sera évalué dans les souches cliniques isolées de patients et le profil de sensibilité aux antibiotiques de ces souches complémenteront nos données de génomiques et biochimiques. Enfin les structures aux rayons-X des bêta-lactamases et des N-acétyltransférases impliquées dans la résistance aux antibiotiques seront résolues en présence de leurs substrats et de leur inhibiteurs (pour les bêta-lactamases). Ce projet apportera des connaissances fondamentales sur la résistance aux antibiotiques des bactéries du genre Nocardia et pourrait avoir un impact direct à court terme sur le traitement des Nocardioses en orientant notamment les cliniciens sur le bon choix de l’antibiothérapie à adopter en fonction de la souche clinique rencontrée.

Le changement climatique va imposer aux forêts des périodes de déficit hydrique de plus en plus fréquentes et intenses. La façon dont les forêts réagiront à ce stress climatique dépendra, dans une large mesure, de leur accès à la ressource en eau du sol. Historiquement, la "réserve utile maximale en eau du sol" (RUM, en millimètres d'eau) a été identifiée comme un paramètre-clé de l'écosystème, modulant la réponse des forêts au manque d'eau. Cependant, la capacité de rétention d'eau du sol est généralement déterminée sur de faibles profondeurs (p.ex. 1 m) et ne tient pas compte du fait que, dans de nombreux cas, les arbres peuvent accéder à des ressources en eau plus profondes, dont la profondeur et la quantité sont actuellement inconnues. Des travaux récents développés par notre consortium ont introduit le concept d'Eau Totale Disponible (en anglais TAW) pour les arbres qui ajoute "l'eau profonde" à l'estimation de la RUM. Se déployant à des échelles allant du site forestier à la France métropolitaine et porté par un consortium interdisciplinaire, le projet TAW-tree vise (1) à quantifier la réserve TAW des forêts par une combinaison d'approches géophysiques (WP1) et écophysiologiques (WP2), (2) à quantifier TAW à l'échelle régionale en utilisant la télédétection (WP3) afin de (3) quantifier l'influence de la variation spatiale de TAW sur le fonctionnement, la croissance et la vulnérabilité des forêts tempérées et méditerranéennes confrontées au changement climatique (WP4). Nos hypothèses de travail sont (1) que la RUM sous-estime généralement TAW, souvent de manière considérable en forêt, (2) que les variations de TAW dans une forêt donnée sont à l'origine d'une grande partie des différences inter-arbres dans leur réponse au manque d'eau, (3) que le TAW, et particulièrement sa composante profonde, a un rôle critique dans le fonctionnement et la vulnérabilité des forêts exposées aux stress thermique et hydrique et modifie la contribution des forêts à l'écoulement des eaux souterraines.

Des progrès en microbiologie environnementale, métagénomique et phylogénomique suggèrent que la cellule eucaryote a évolué à partir de consortia symbiotiques impliquant une archée de type Asgard et, au minimum, l’alphaprotéobactérie ancêtre de la mitochondrie. Toutefois, beaucoup de gènes d’origine procaryote chez le dernier ancêtre commun eucaryote ne s’affilient ni aux archées ni aux alphaprotéobactéries. Afin de déchiffrer leur origine, il est essentiel de mieux comprendre l’écologie microbienne des consortia symbiotiques des archées Asgard et déterminer quelles sont les lignées bactériennes avec lesquelles elles interagissent dans les écosystèmes naturels. Dans ce projet, nous combinerons des approches métagénomiques, de cellule unique, de microscopie et de culture pour identifier les partenaires symbiotiques des archées Asgard dans des environnements à transition redox, tout en caractérisant leurs interactions métaboliques. A travers l’étude des lignées bactériennes privilégiées dans ces consortiums et celles qui coexistent avec les archées Asgard au sein de l’écosystème microbien, nous espérons identifier les lignées donneuses potentielles de gènes bactériens à l’ancêtre des eucaryotes. Ainsi, ce projet nous permettra d’affiner les modèles actuels sur l’eucaryogénèse.