Mots-Clés

Sols, cycle du carbone, bioanalyse, métagénomique

Description

Intitulé de stage

Lien entre la diversité taxonomique et fonctionnelle microbienne et le turnover des matières organiques dans les sols agricoles influencés par des modes d’usage contrastés

Sujet de stage

Contexte et projet de rattachement

Les sols délivrent de nombreux services essentiels pour les sociétés humaines, tels que la production primaire, ou la régulation des grands cycles biogéochimiques (Maron et al. 2011). Parmi ces fonctions, le turnover de la matière organique est d’une importance majeure dans le fonctionnement des agro-écosystèmes (Trivedi et al. 2013; Delgado-Baquerizo et al. 2016). Il détermine ainsi la balance entre la minéralisation et la séquestration du carbone, ainsi que l’accès aux nutriments dans les sols. Cette balance est déterminée par l’activité des communautés microbiennes des sols qui catalysent les transformations de la matière organique dans le sol. La modification des communautés microbiennes (abondance/diversité) engendrée par les modifications de leur environnement notamment par les pratiques agricoles peuvent en conséquence influer sur le turnover de la matière organique et donc sur la fertilité du sol. L’agroécologie a émergé dans ce contexte, avec pour but de définir de nouvelles pratiques pour promouvoir les processus et fonctions écosystémiques et donc la durabilité des écosystèmes.

Le projet FONCTIOMIC (Linking dynamics of microbial metagenomes with soil organic matter decomposition in agricultural soil) sur lequel s’appuie le sujet de stage vise à caractériser comment les modifications des communautés microbiennes (abondance et diversité) induites par des pratiques agricoles contrastées (prairie vs culture) peuvent expliquer les changements de fonctionnement en termes de turnover de la matière organique dans le sol (Marschner et al. 2011; Baumann et al. 2012; Pascault et al. 2013). Ce projet s’appuie à la fois sur des approches en conditions contrôlées (microcosmes), et in situ (site expérimental) dont les résultats ont pour but d’améliorer notre connaissance des processus microbiens impliqués dans la dégradation des matières organiques (Tardy et al. 2015). Deux suivis temporels ont été réalisés (en conditions contrôlées et in situ), pour suivre l’évolution des communautés microbiennes en réponse à un amendement avec de la matière organique (blé marqué au 13C). Le design expérimental regroupe 48 échantillons pour les conditions in situ et 72 pour les conditions contrôlées.

Les expérimentations et échantillonnages, ainsi que les premières analyses (biomasse moléculaire microbienne, amplification PCR, séquençage dirigée et sans a priori, mesures de gaz) ont déjà été effectuées, les données sont donc disponibles pour analyse. Dans ce projet, l’étudiant(e) devra analyser des données de séquençage massif sans a priori de sols provenant des deux expérimentations différentes décrites précédemment (microcosmes et in situ). L’obtention des données exploitables a été fait en collaboration avec la plateforme GeT de Toulouse. L’analyse bioinformatique (nettoyage, assignation taxonomique, assemblage et annotation) a été réalisée en collaboration avec la plateforme Migale (JOUY-EN-JOSAS).

Objectifs

Les objectifs du stage proposé sont donc d’exploiter les jeux de données disponibles afin :

• De déterminer quelles sont les variations taxonomiques et fonctionnelles des communautés microbiennes des sols analysés impliqués dans le turnover de la matière organique, en lien avec deux modes d’usage contrastés • De déterminer quels sont les variations temporelles des communautés microbiennes des sols analysés impliqués dans le turnover de la matière organique (copiotrophie, oligotrophie) ;

• D’identifier de potentiels gènes et/ou voies métaboliques clés en lien avec le turnover de la matière organique

• D’évaluer l’impact des pratiques agricoles sur les communautés microbiennes du sol (diversité et fonctionnalité) ;

Données et techniques utilisées

L’analyse des données de séquençage obtenues récemment (plus de 9 milliards de lectures pairées en 2x150 bases au total) sera le cœur du stage proposé. Cette analyse s’appuiera sur l’expertise du personnel de la plateforme Migale (UR 1404 MaIAGE). En effet, une première analyse de ces jeux de données a été effectuée par des personnes de la plateforme Migale, pour assembler et annoter ces jeux des données. L’étudiant, avec de bonnes compétences en bioinformatique et en bioanalyse, aura la charge de l’analyse scientifique de ces données, en collaboration avec des experts de ce domaine, issus de la plateforme Migale et de l’équipe BIOCOM. Les données obtenues ont déjà été bioinformatiquement traitées (nettoyage, assignation taxonomique, assemblage, annotation fonctionnelle des contigs obtenus).

L’étudiant aura donc en charge l’exploitation et la mise en forme des résultats. Ainsi, il assurera l’analyse statistique des résultats, la construction de réseaux de gènes par analyses statistiques, les calculs d’indices ainsi que de la composition des communautés. Ce travail sera fait en utilisant le logiciel libre R (packages « phyloseq », « vegan », « ggplot2 »), mais aussi d’autres outils disponibles.

Compétences attendues

Le stage s’adresse à des étudiants avec un parcours de bioinformatique et/ou de bioanalyse, mais avec des connaissances en microbiologie et écologie et qui sont intéressés par les approches de diversité génétique et les analyses biostatistiques de jeux de données NGS (Next Generation Sequencing). De solides compétences en bioanalyse sont donc indispensables. Plus précisément :

- connaissance en diversité, génétique et écologie des microorganismes des sols ; - bonne maîtrise des outils d’analyse (logiciel R, Rstudio) ;

- connaissance des analyses statistiques en écologie microbiennes (indice de diversités, statistiques exploratoires, etc.) ;

- compétence en analyse de données de métagénomique sans a priori utile ;

- maîtrise de la langue anglaise (lecture et écriture).

Moyens mis à disposition

L’étudiant(e) pourra s’appuyer sur les moyens logistiques et humains mis à disposition dans le cadre du projet FONCTIOMIC. Notamment, la collaboration avec la plateforme Migale (UR 1404 MaIAGE), et plus particulièrement de deux ingénieurs ayant déjà traités ce type de jeux de données sera utile.

Encadrant(s) et contact(s)

Encadrant principal (signataire de la convention) : Sébastien TERRAT (UMR 1347 Agroécologie, équipe BIOCOM) Co-encadrant : Pierre-Alain MARON (UMR 1347 Agroécologie, équipe BIOCOM) Les demandes d’informations et dossiers de candidature sont à envoyer avant le 22 octobre au plus tard (le stage étant prévu de Janvier à Juin), à : Sebastien TERRAT : sebastien.terrat@inrae.fr

Autres informations

Le sujet proposé peut se poursuivre sur par une thèse dans le cadre d’un projet PPR : MicroFlu4AMR (Caractérisation et criblage par haut débit des communautés bactériennes dans le sol : mécanismes de la résistance aux antibiotiques et découverte de nouveaux antibiotiques).

Bibliographie

Baumann, K., Dignac, M.F., Rumpel, C., Bardoux, G., Sarr, A., Steffens, M., et al. (2012). Soil microbial diversity affects soil organic matter decomposition in a silty grassland soil. Biogeochemistry, 114, 1–12.

Delgado-Baquerizo, M., Maestre, F.T., Reich, P.B., Trivedi, P., Osanai, Y., Liu, Y.R., et al. (2016). Carbon content and climate variability drive global soil bacterial diversity patterns. Ecol. Monogr., 86, 373–380.

Li, J., Jia, H., Cai, X., Zhong, H., Feng, Q., Sunagawa, S., et al. (2014). An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat. Biotechnol., 32, 834–841.

Maron, P.-A., Mougel, C. & Ranjard, L. (2011). Soil microbial diversity: Methodological strategy, spatial overview and functional interest. C. R. Biol., 334, 403–411.

Marschner, P., Umar, S. & Baumann, K. (2011). The microbial community composition changes rapidly in the early stages of decomposition of wheat residue. Soil Biol. Biochem., 43, 445–451.

Pascault, N., Ranjard, L., Kaisermann, A., Bachar, D., Christen, R., Terrat, S., et al. (2013). Stimulation of different functional groups of bacteria by various plant residues as a driver of soil priming effect. Ecosystems, 16, 1–13.

Sunagawa, S., Coelho, L.P., Chaffron, S., Kultima, J.R., Labadie, K., Salazar, G., et al. (2015). Structure and function of the global ocean microbiome. Science (80-. )., 348, 1261359.

Tardy, V., Spor, A., Mathieu, O., Lévèque, J., Terrat, S., Plassart, P., et al. (2015). Shifts in microbial diversity through land use intensity as drivers of carbon mineralization in soil. Soil Biol. Biochem., 90, 204–213.

Trivedi, P., Anderson, I.C. & Singh, B.K. (2013). Microbial modulators of soil carbon storage: Integrating genomic and metabolic knowledge for global prediction. Trends Microbiol., 21, 641–651.