Communautés Archaea structurées par les paramètres environnementaux118

De la même façon que pour les communautés procaryotes globales, nous nous sommes de-mandés si les paramètres environnementaux structuraient spécifiquement les communautés

Achaea des DMA. En effet, les 12 DMA échantillonnés proposent des conditions

environ-nementales différentes, comme le pH, les concentrations en ions métalliques ou en carbone total (Table 4.3). Nous avons pour cela construit un modèle d’ACC parcimonieux (Figure 4.5) pour identifier ces paramètres. Notre modèle a identifié deux paramètres importants pour la structuration de la communauté Archaea : la quantité de carbone total des sédi-ments et la concentration en As III. Notre modèle explique environ 31% de la variance des OTU au sein des sites étudiés. D’autres facteurs sont donc en cause dans la structuration de ces communautés. Dans notre étude, la concentration en As III sélectionne fortement les OTU 27, 28 et 51 qui se trouvent dans les groupes phylogénétiques des ARMAN. Ce para-mètre sélectionne aussi les OTU 56 et 76 des Thermoplasmataceae et l’OTU 75 du groupe BSLdp215 des Thermoplasmales. Le bassin du Lassen Volcanic National Park contient en moyenne 10 mg.L⁻¹ d’arsenic dans ses systèmes fluviaux (Sorey et al. 1994). Cela concorde avec la sélection de l’OTU 75 par l’arsenite. Le carbone total a sélectionné l’OTU 55

Metha-nosaeta, l’OTU 11 Thaumarchaeota, et les OTU 60 ; 23 ; 69 ; 53 ; 64 de Thermoplasmatales.

Il semble que des taxons de Thermoplasmataceae soient sélectionnés par leur résistance à l’arsenic et leur oligotrophie.

4.3 Conclusion

Cette étude avait pour but de décrire la diversité des Archaea dans différents systèmes de DMA afin d’enrichir les connaissances sur leur écologie. Le séquençage haut débit nous a permis d’avoir un échantillonnage suffisant pour avoir une vision exhaustive des taxons composants les communautés archées des DMA. D’après la systématique actuelle, les taxa que nous avons observés dans les DMA appartiennent à deux phyla : Euryarchaeota qui re-groupe la majorité des séquences (88 % des séquences sont affiliées aux Thermoplasmatales, un ordre des Euryarchaeota) et Thaumarchaeota dont les effectifs sont moins importants globalement mais le sont localement. Les OTU de l’ordre Thermoplasmatales sont observés

Figure 4.5 – ACC sur les OTU Archaea ayant plus de 5 séquences, en utilisant les paramètres environnementaux mesurés comme contrainte. Les axes 1 (abscisse) et 2 (ordonnée) sont représentés. Les OTU (rouge) se répartissent le long des vecteurs bleus en fonction de leur maxima écologique pour ce paramètre, les sites (noir) sont des centroïdes des OTU. Seul le nom des OTU et des sites influencés par les paramètres significatifs de l’ACC ont été représentés.

dans tous les DMA, l’OTU_81 est affilié au genre Ferroplasma et contient potentiellement des espèces différentes de celles qui ont été isolées. Aucun de nos OTU en revanche n’a été affilié au genre Thermoplasma défini par les deux souches types Thermoplasma acidophilum et Thermoplasma volcanium. Ces souches ne semblent pas représentatives de la diversité des

Thermoplamataceae dans les DMA, les mêmes résultats sont observés chez Baker et Banfield

(2003), Volant et al. (2012). Cependant trois OTU sont très proches des séquences de gène ARNr 16S des génomes reconstitués des Thermoplasmatales A-plasma, E-plasma et Gpl (Ty-son et al. 2004, Dick et al. 2009). Les analyses génomiques de Yelton et al. (2013) fournissent des informations sur le potentiel métabolique de ces Archaea qui sont très similaires entre eux et ainsi que de celui des Ferroplasma, malgré leurs différences taxonomiques. Or ces or-ganismes cohabitent dans les mêmes biofilms. Des particularités de structure de membrane et des régulations enzymatiques différentes doivent être responsables de leur adaptation à différentes niches. Une grande partie des OTU des Thermoplasmatales sont dans des groupes de séquences environnementales qui fournissent peu d’informations hormis une localisation géographique ou un type d’environnement. La définition de ces groupes évolue avec l’en-richissement des informations sur les archées. Dans cette étude, nous avons l’exemple de nos OTU des groupes DHVEG-6, et MEG qui contiennent les séquences des ARMAN et qui d’après les travaux de Rinke et al. (2013) pourraient être deux autres phyla

Parvar-chaeota et MicrarParvar-chaeota, définis par des petites tailles cellulaires et des génomes compacts.

Ces deux exemples montrent comment les approches génomiques peuvent compléter les mé-thodes culturales en apportant des informations sur des organismes qui sont réfractaires à la culture en laboratoire. Cependant elle ne permettent l’accès qu’au contenu du génome, et les informations sur les activités et les régulations enzymatiques ne sont pas accessibles. Des études physiologiques et biochimiques (sur des souches isolées ou des consortia) sont donc nécessaires pour confirmer les hypothèses émises par les études génomiques. Il n’ y a pas de

Thaumarchaeota de drainage minier acide isolée, et les OTU de notre étude qui y sont affiliés,

sont dans des groupes environnementaux. Même si on ne peut pas caractériser ces archées, on apprend qu’ils sont spécifiques de quelques drainages, et donc probablement sélectionnés par des conditions particulières. Cependant notre modèle ACC n’a pas été capable d’iden-tifier des paramètres permettant de sélectionner des OTU Thaumarchaeota. Notre modèle a en revanche identifié deux paramètres importants dans la structure des communautés,

sé-lectionnant des OTU Euryarchaeota : la concentration en arsenite et la quantité de carbone total. Ils sélectionnent notamment des OTU non caractérisés des Thermoplasmatales par leur résistance à de fortes concentrations en arsenite et des conditions plus ou moins oligotrophes. La concentration en arsénite a aussi sélectionné les OTU ARMAN. On ne peut pas compa-rer nos conditions avec celles du drainage de Richmond où ces archées ont été isolées car les données sur l’arsenic ne sont pas disponibles. Méndez Garcia (2013) dans ses travaux a séquencé beaucoup de clones ARMAN dans le drainage de Los Rueldos où les concentrations en arsenic sont bien moins élevées qu’à Carnoulès (3,6-6 mg.L−1 _{contre environ 200 mg.L}−1_). Dans ces travaux les ARMAN ont été observés dans des biofilms. Notre étude montre qu’on peut les retrouver dans les sédiments aussi. Des études de microscopie électronique suggèrent des relations parasitaires entre des ARMAN et des Thermoplasmatales (Comolli et al. 2009). Des hôtes compatibles sont peut être présents dans le drainage de Carnoulès. Cependant il est clair que d’autres informations sont nécessaires pour comprendre la répartition des AR-MAN dans les DMA. Enfin l’analyse de fouille de données nous a permis de montrer que les OTU fréquemment observés dans les DMA sont spécifiques des milieux miniers et acides. Cependant localement il est possible de retrouver des archées adaptées à des environnements de type sol et géothermaux. Ces résultats indiquent que les conditions environnementales dans les DMA sont importantes dans la structuration des communautés archées.

Diversité des transporteurs d’arsenic

dans les DMA

5.1 Introduction

Le drainage minier acide est un milieu contraint par des concentrations élevées en métaux et métalloïdes, dont l’arsenic. Des teneurs élevées en arsenic sont mortelles, les procaryotes habitant les DMA ont donc développé des stratégies de résistance à cet élément. Parmi ces stratégies de résistance il y a la mise en place de transporteurs pour expulser l’arsenic hors de la cellule. Chez les procaryotes les transporteurs les plus communs sont de type ArsB et Acr3. Ce sont des transporteurs uniports qui expulsent l’arsenite hors de la cellule (voir chapitre 1.2.3). L’origine de ces transporteurs semble très ancienne, et serait issue d’une convergence évolutive (Silver et Phung 2005, Cai et al. 2009, Li et al. 2014). À savoir que les transporteurs ArsB et Acr3 ne semblent pas avoir d’origine commune, et sont tous les deux une réponse évolutive créée indépendamment pour s’adapter à la contrainte de la présence d’arsenic. La famille des transporteurs Acr3 est divisée en deux groupes Acr3.1 et Acr3.2 et un couple d’amorces spécifiques de chaque groupe a été dessiné par Achour

et al. (2007). La famille des transporteurs Acr3 est présente dans le domaine eucaryote,

notamment chez les champignons, par la sous-famille Acr3.1. D’après les données actuelles la famille ArsB n’est présente que chez les procaryotes. La diversité des gènes codant pour les transporteurs d’arsenic a été étudiée dans les sols (Achour et al. 2007, Cai et al. 2009) dans le drainage de Carnoulès (Fahy et al. 2014) et dans une étude de génomique comparative de 123

Burkholderiales (Li et al. 2014). Elles ont révélé une diversité importante des transporteurs,

ainsi que des indices suggérant des transferts horizontaux et des arrangements génomiques des gènes des opérons ars. En effet l’étude phylogénétique des transporteurs ArsB de souches cultivées par Cai et al. (2009) a montré des divergences dans le phylum des protéobactéries entre l’arbre des gènes ARNr 16S et l’arbre des séquences du gène arsB. Dans l’étude de Li

et al. (2014) il a été montré qu’il existe des structures différentes des opérons ars chez les Burkholderiales qui sont issues de ré-arrangements entre différentes copies de l’opéron dans

le génome ou les plasmides ou d’acquisitions extérieures. Ces travaux de thèse permettent l’accès à l’information génétique de sites miniers variées à travers le monde. Ainsi nous pouvons étudier la diversité des transporteurs exprimée par des communautés différentes. Nous avons construit des banques de clones pour accéder à cette diversité et réalisé une étude phylogénétique des séquences d’acides aminés des transporteurs observés. Une telle étude n’a pas encore été réalisée à une échelle aussi globale. Nous nous sommes aussi demandés si des séquences de transporteur étaient partagées entre les différents DMA étudiés, indiquant des échanges de communautés entre ces sites ou une origine commune de telles communautés.

5.2 Résultats et discussion

Les gènes codant les transporteurs d’arsenite n’ont pas pu être amplifiés dans tous les sites d’étude. Nous n’avons pu amplifier aucun des trois gènes dans les sites BOL_oru0/oru1 et ESP_R.T_ri. De plus le gène arsB n’a pas été amplifié dans les sites ESP_R.T_pt1 et BOL_mil alors que le gène acr3.2 n’a pas été amplifié dans les sites BOL_pot, ESP_odi_th, PRT_sd (Table 5.1). Pour définir les OTU nous avons testé s’il existait une corrélation entre les distances des ARNr 16S et des séquences ArsB, Acr3.1 et Acr3.2 (nucléotidiques et d’acides aminés) dans des génomes complet de micro-organismes. Si cette corrélation existait cela montrerait une co-évolution des deux gènes et on pourrait définir des seuils de similarité qui correspondraient à des taxons. Or nous n’avons pas mis en évidence de corrélations significatives entre ces distances, la définition d’OTU que nous avons choisi ne correspond donc pas à un niveau taxonomique. C’est un seuil arbitraire qui nous permet de comparer les richesses et la diversité entre les différents sites d’étude, et d’agglomérer les séquences pour rendre les arbres plus lisibles. C’est d’ailleurs à partir de ces arbres que le seuil de 80

Table 5.1 – Tableau récapitulant des statistiques sur les gènes codant les transporteurs d’arsenite ArsB et Acr3. On retrouve la richesse observée en nombre d’OTU défini à 80 % d’identité de séquence d’acides aminés ; le taux de couverture de Good, la richesse totale estimée par le Chao 1 et la diversité estimée par l’indice de Shannon. NA représente l’absence de données lorsque le gène n’a pas été amplifié.

Nbr. OTU (80 % id) Couverture de Good Richesse Chao 1 Diversité Shannon

Sites ArsB Acr3.1 Acr3.2 ArsB Acr3.1 Acr3.2 ArsB Acr3.1 Acr3.2 ArsB Acr3.1 Acr3.2

BOL_pot 2 10 NA 100 93 NA 2 11 NA 0,51 1,87 NA BOL_mil NA 3 4 NA 100 93 NA 3 4,5 NA 0,95 0,53 ESP_R.T_pt1 NA 4 4 NA 100 95 NA 4 4,5 NA 1,11 0,44 ESP_R.T_pt2 7 11 2 93 89 100 10 16 2 1,36 1,87 0,66 ESP_odi_th 4 9 NA 100 90 NA 4 11 NA 0,73 1,60 NA ESP_odi_st 4 5 1 100 100 100 4 5 1 1,27 0,99 0 FRA_carn_cowg 3 10 6 100 86 91 3 15 9 0,98 1,83 1,19 FRA_carn_s1 3 9 4 100 88 95 3 19 5 0,91 1,63 0,50 PRT_sd 5 2 NA 100 100 NA 5 2 NA 1,42 0,32 NA

% d’identité a été choisi. En effet nous voulions que les OTU des séquences de transporteurs des DMA forment des groupes cohérents par rapport aux groupes formés par nos séquences de référence. À titre d’exemple le groupe des Acidiphilium de l’arbre des séquences ArsB, les séquences partagent 80 % d’identité de séquence ; dans le groupe Acidithiobacillus entre 84 et 88 % d’identité de séquences.