Dispersion aérienne et distribution spatiale des microorganismes dans la cryosphère : biodiversité dans la neige et l'air du Haut-Arctique canadien

DISPERSION AERIENNE ET DISTRIBUTION

SPATIALE DES MICROORGANISMES

DANS LA CRYOSPHÈRE

Biodiversité dans la neige et l'air du Haut-Arctique canadien

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en biologie pour l'obtention du grade de Maître es sciences (M. Se.)

DEPARTEMENT DE BIOLOGIE FACULTÉ DES SCIENCES ET DU GÉNIE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2010

La disposition discontinue à l'échelle mondiale des habitats de la cryosphère, définie comme les environnements glacés de la Terre, offre un contexte opportun pour définir la répartition géographique des espèces microbienne sur la planète. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, l'abondance et la diversité microbiennes du couvert neigeux et de l'air du Haut-Arctique canadien ont été révélées par des méthodes moléculaires, de microscopie et de cultures. La composition des communautés de bactéries et de protistes de la neige, qui reflétait le transport aérien survenu au cours des huit mois précédant l'échantillonnage, a permis d'identifier les tapis microbiens locaux et l'océan Arctique comme des sources d'inoculum substantielles. L'analyse des séquences d'ADN ribosomique 16S et 18S suggère que les microorganismes habitant les environnements froids comme la neige, la glace marine et les glaciers des régions arctiques, antarctiques et alpines possèdent une distribution globale à travers la cryosphère.

Abstract

The discontinuous expanses of the cryosphère, defined as all icy environments on Earth, provide attractive systems to investigate the planetary dispersal and distribution of microbes. This study evaluated the abundance and diversity of microbial populations in the snowpack and atmosphere of High Arctic Canada, using a combination of molecular, microscopic and culture analyses. Microbial cells and DNA were detected in the snow at all locations and the community composition indicated that the Arctic Ocean and local microbial mats were major inoculum sources. The molecular analyses (small subunit ribosomal DNA gene sequences) identified close similarities with sequences from cold environments elsewhere such as alpine glaciers and Antarctic sea ice. These results imply the global dispersal of cold-dwelling microbial taxa throughout the cold biosphere.

Peu de gens savent que la neige est vivante. En effet, certains microorganismes semblent adaptés aux conditions qui prévalent dans le couvert nival et croissent dans cet environnement. Bien que la présence des microorganismes fut rapportée dans la neige de plusieurs localisations géographiques, de nombreuses lacunes subsistent dans les connaissances de la microbiologie de la neige. Entre autres, peu d'information est à ce jour disponible sur l'existence de ces communautés en milieu arctique. Les principaux objectifs du présent projet de maîtrise étaient d'évaluer la diversité des communautés microbiennes dans le couvert nival du Haut-Arctique et de déterminer si ces dernières partagent des affiliations génétiques avec des communautés détectées ailleurs dans un contexte où la dispersion microbienne survient à l'échelle planétaire.

Le mémoire est divisé en trois chapitres. Le premier expose les connaissances de base en biodiversité et biogéographie microbiennes tout en portant l'emphase sur les divers habitats de la cryosphère qui peuvent servir de sources d'inoculum microbien pour le couvert neigeux. Ce chapitre formera la base d'un article de revue de littérature sur la biodiversité microbienne dans la cryosphère publiée dans un ouvrage francophone. Le second chapitre relate sous forme d'article scientifique la recherche qui fut réalisée dans le cadre de ce projet dont l'élaboration, les travaux sur le terrain et en laboratoire étaient sous ma responsabilité. Après avoir été modifié, ce chapitre sera soumis à Applied and Environmental Microbiology en collaboration avec mes co-auteurs Anne Dorothée Jungblut, Connie Lovejoy et Warwick F. Vincent. Finalement, le troisième chapitre rallie les deux premiers en faisant ressortir les conclusions générales.

Le travail présenté dans cet ouvrage fut présenté oralement et par le biais d'affiches dans divers événements. Tout d'abord, en décembre 2008, les résultats préliminaires furent incorporés à une affiche de groupe présentée à la conférence internationale Arctic Change 2008 à Québec. Cette dernière a d'ailleurs remporté un prix au concours d'exposition des affiches. En juin 2009, une affiche intitulée Microbial diversity in High Arctic snow and implications for the cold biosphere fut exposée à la 59e conférence annuelle de la Société

canadienne des microbiologistes à Montréal. En octobre 2009, le projet fut présenté oralement à la 9e conférence internationale sur les études nordiques et les régions polaires

ACUNS, Communities of Change - Building an IPY Legacy, à Whitehorse. Les symposiums annuels 2008 et 2009 du Centre d'études nordiques (CEN) ont aussi vu les travaux reliés à ce projet présentés sous forme de discours express et d'affiches.

Ce projet de maîtrise s'est imbriqué dans l'effort de recherche relié à l'Année Polaire Internationale 2007-2008. Il était inscrit dans les programmes Microbiological and Ecological Responses to Global Environmental change in the polar regions (MERGE-Canada) et Northern Ellesmere Island in the Global Environment (NEIGE). Il a ainsi bénéficié du financement de ces programmes offert par les organisations CRSNG (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie), PPCP (Programme du plateau continental polaire), CEN (Centre d'Études Nordiques), FQRNT (Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies), ArcticNet (un réseau des centres d'excellence du Canada), Programme de chaires de recherche du Canada et PFSN (Programme de formation scientifique dans le nord) et de l'appui de Parcs Canada et NRI (Nunavut Research Institute). Je suis grandement reconnaissant envers ces organismes. Un merci particulier au

CRSNG et au FQRNT qui m'ont aussi offert personnellement des bourses de recherche de 2e cycle pour supporter mon travail.

J'aimerais remercier mon directeur Dr Warwick F. Vincent pour son support inconditionnel, sa passion contagieuse et la fabuleuse opportunité d'étudier le Grand nord qu'il m'a offerte. Je remercie aussi ma co-directrice Dre Connie Lovejoy pour sa disponibilité, ses conseils et son adorable affection pour les eucaryotes microscopiques. Me serais-je ouvert au monde des protistes aussi facilement sans son intervention? Je voudrais aussi remercier Anne D. Jungblut qui fut une précieuse conseillère en laboratoire. Marie-Josée Martineau, en plus de m'offrir son support pour la culture des cyanobactéries, a maintes fois su mobiliser notre équipe de recherche autour de rassemblements indispensables à la cohésion du groupe. Merci. Pour leur aide sur le terrain, merci infiniment à Dermot Antoniades, Julie Veillette, Sophie Charvet et Sébastien Bourget. Un merci particulier à Caroline Duchaine, professeure au département de microbiologie, qui nous a gracieusement prêté l'échantillonneur d'air Burkard et qui m'a ainsi permis d'explorer une frontière fascinante de la microbiologie, celle de l'air.

présence, leur support intellectuel, leur dynamisme et la chaleur qui ont caractérisé nos relations : Anne D. Jungblut, Marie-Josée Martineau, Dermot Antoniades, Julie Veillette, Shohei Watanabe, Marie Lionard, André Comeau, Cindy Dasilva, Vani Mohit, Bérengère Péquin, Karen Scarcella, Ramon Terrado et Mary Thaler. Ce fut pour moi un véritable honneur d'intégrer l'arbre de la grande famille Vincent-Lovejoy. Un merci chaleureux à Sébastien Bourget, Sophie Charvet, Delphine Rolland et Emmanuelle Médrinal pour l'amitié et la folie qui ont émané de nous.

Finalement, un merci profond à Fabien Piché et Dale Gilbert qui ont oeuvré à me faire persévérer. Ils ont su repousser dans le néant le doute qui nous chavire tous à un moment ou à un autre.

Résumé i Abstract. ii Avant-Propos iii

Table des matières vii Liste des tableaux ix Liste des figures. x

Chapitre 1 - Introduction générale 13 1.1- Biodiversité microbienne 14

1.1.1- Limites techniques et innovations 14

1.1.2- Limites conceptuelles 19 1.2- Biogéographie microbienne et dispersion aérienne 20

1.2.1- Cosmopolitisme et endémisme chez les microorganismes 21

1.2.2- Les microorganismes, voyageurs aériens 24 1.3- Les mondes de glace passés et présents 27

1.3.1- Histoire glaciaire 28 1.3.2- Climats de la cryosphère contemporaine 33

1.4- Habitats de la cryobiosphère 38 1.4.1- Les écosystèmes glaciaires 38 1.4.2- Les plates-formes de glace 43

1.4.3- La glace de lac 45 1.4.4- La glace de mer 48 1.4.5-Le pergélisol 49 1.5- Microbiologie de la neige 50

1.5.1- La neige en tant qu'habitat 50 1.5.2- La neige, récolteur de particules atmosphériques 55

1.5.3- Paléomicrobiologie glaciaire 59 1.6- Hypothèses, objectifs et approche 61 Chapter 2 — Microbes from the sky: Biodiversity in High Arctic snow and air 63

2.1-Abstract 63 2.2- Introduction 63 2.3-Methods 65 2.3.1-Study sites 65 2.3.2- Snow sampling 67 2.3.3- Air sampling 68 2.3.4- SSU rRNA gene clone libraries 68

2.3.6- Isolation of cyanobacteria 70 2.3.7- Phylogenetic, provenance and diversity analyses 71

2.4-Results 71 2.4.1- Snowpack characteristics 71

2.4.2- Microbial DNA and cells 72 2.4.3- Bacteria in the snow 74 2.4.4- Eukaryotes in the snow 75 2.4.5- Bacteria in the atmosphere 76

2.5-Discussion 88 2.5.1-Spatial distribution of cells 88

2.5.2- Local sources 89 2.5.3- Regional sources 91 2.5.4- Cosmopolitanism and long range transport 93

2.5.5- Viability and microbial activity in the snow 94

2.5.6- Cold adaptation and tolerance 96

2.6- Conclusions 97 Chapitre 3 - Conclusion générale 99

Bibliographie 103 Annexe 1 - Analyse de groupements. 120

Annexe 2 - Photomicrographies de cyanobactéries cultivées à partir de la neige du

TABLE 2.1. Locations of the sampling sites used for the clone libraries 66 TABLE 2.2. Bacteria identified by 16S rDNA sequence analyses in High Arctic snow and

air 77 TABLE 2.3. Bacterial and eukaryotic diversity indices for samples at each site 79

TABLE 2.4. Eukaryotic algae identified by chloroplastic 16S rDNA sequence analyses in

High Arctic snow and air 80 TABLE 2.5. Cyanobacteria identified by 16S rDNA sequence analyses of cultures and

clones from High Arctic snow 81 TABLE 2.6. Eukaryotic microbes identified by 18S rDNA sequence analyses in High

FIG. 1.1. Arbre phylogénétique du vivant bâti suivant l'alignement des séquences des ADNr (petite sous-unité) de quelques espèces et exposant les trois domaines (Woese,

1987) 16 FIG. 1.2. Pourcentage d'hybridation ADN-ADN en fonction des similarités dans les

séquences d'ADNr 16S d'espèces bactériennes des groupes Proteobacteria, Bacteroidetes et Firmicutes. La figure montre que des espèces éloignées selon le critère d'hybridation peuvent posséder des séquences d'ADNr 16S similaires à >97%

(Rossellô-Mora and Amann, 2001) 16 FIG. 1.3. Nombre d'individus en fonction du rang de l'abondance des taxons. La courbe

représente la biodiversité totale et est composée de deux sections. 1) En rouge, les taxons contenant un nombre élevé d'individus. Ces taxons sont en croissance active et sont sujets à la perte par prédation et par lyse virale. 2) En bleu, les taxons rares sont constitués d'un faible nombre d'individus qui persistent à l'état de dormance ou de spore. Puisque ces espèces sont rares, il est peu probable qu'elles soient attaquées par des virus ou des prédateurs et l'extinction peut seulement survenir par mort cellulaire

(Pedrôs-Aliô, 2006) 18 FIG. 1.4. Arbre phylogénétique maximum likelihood réalisé avec neuf loci concaténés de

souches de Sulfolobus prélevées dans des sources hydrothermales de la Russie (Mutnovsky et Uzon/Caldera Valley), de l'Islande et de l'Amérique du Nord (Lassen et Yellowstone). Les nombres le long des branches principales représentent les valeurs de bootstrap suivant l'algorithme maximum likelihood et entre parenthèse maximum

parsimony (Whitaker et al., 2003) 23 FIG. 1.5. Les archives glaciaires au cours de l'histoire de la Terre. Les dépôts

glaciogéniques non ambiguës sont représentés en fonction des continents par des

rectangles noirs (Eyles, 1993) 29 FIG. 1.6. Étendue des inlandsis sur l'Amérique du Nord au dernier maximum glaciaire

(-18000 ans avant aujourd'hui). L'élévation des contours (en mètres) est indiqué par

les isolignes (Dyke et al., 2002) 31 FIG. 1.7. Températures moyennes au niveau de la mer en janvier (A) et en juillet (B)

(Vigneau, 2000) 35 FIG. 1.8. Emplacement des environnements de glace pérenne terrestres. Cette figure

expose les vastes distances qui séparent les cryohabitats de la planète. (Hambrey and

Alean, 2004) 37 FIG. 1.9. Réseaux de veines liquides créés par l'exclusion des solutés par les cristaux de

glace. A) Micrographe de la canalisation créée à l'intersection de trois cristaux (Deming, 2002). Micrographes à la lumière blanche (en haut) et à fluorescence (en bas) de (B) billes fluorescentes d'un diamètre de 1,9 um et de (C) cellules de

Clostridium vincentii teintes à l'acridine orange intégrées à un réseau de veines lors de

la congélation (Mader et al., 2006) 41 FIG. 1.10. Cellule dormante de Chlamydomonas nivalis comportant des bactéries (pointées

par les flèches) et des débris attachés à sa surface (A) et grossissement des bacilles

attachés (B) (Weiss, 1983) 53 FIG. 1.11. Changements saisonniers dans les biomasses bactérienne et alguale de la neige

psychrophilum (carrés noirs), Janthinobacterium lividum (carrés blancs) et Variovorax paradoxus (triangles) mesurée par PCR quantitative. B) Biomasse des algues de neige (triangles) et des cyanobactéries (cercles) estimée par le dénombrement des cellules

teintes au DAPI sous le microscope (Segawa et al., 2005) 53 FIG. 1.12. Circulation atmosphérique globale soufflant sur le plateau tibétain en été, la

mousson indienne représentée par les flèches mauves, et en hiver, les vents d'ouest

représentés par les flèches roses (Zhang et al., 2007) 57 FIG. 2.1. Location of the sampling sites in High Arctic Canada. On the northern coast of

Ellesmere Island, Quttinirpaaq Lagoon (QL, purple dot), Ward Hunt Island (light blue dot) including Ward Hunt Lake (WHL) and the air sampling site (WHI), Ward Hunt Ice Shelf (WHIS, white dot), Lake A (LA, dark blue dot), Disraeli Fjord site C (DFC, orange dot), site B (DFB, yellow dot) and site A (DFA, red dot), Disraeli Glacier (DG, green dot). The WHIS (black area) surrounds Ward Hunt Island. On Cornwallis Island, Char Lake (CL, pink dot) is in the vicinity of Resolute Bay. Modified from

Mueller et al. (2006) 66 FIG 2.2. Extracted DNA concentrations in the small (0.2 to 3 urn) and the large (> 3um)

fractions for High Arctic snow samples (QL - Quttinirpaaq Lagoon, WHL = Ward Hunt Lake, WHIS = Ward Hunt Ice Shelf, LA = Lake A, DF = Disraeli Fjord, DG = Disraeli Glacier, CL = Char Lake, Neg. = field blanks). The sites were sampled in

duplicate at a distance of tens of meters apart 73 FIG 2.3. Concentration of bacterial and Ochromonas cells (note the log scale) in the snow

cover of Ward Hunt Lake (WHL), Lake A (LA) and Char Lake (CL) determined by

DAPI slide counts 73 FIG. 2.4. 16S rDNA gene (1400 pb) ML trees indicating phylogenetic positions of alpha

(A) and gammaproteobacterial (B) sequences from this study (red). The accession numbers for other sequences are indicated and isolation sources are given in

parenthesis. Green indicates that the sequences were from confirmed psychrotolerant isolates and blue from psychrophilic isolates. Vertical purple lines indicate polar clades. Significant bootstrap values (>60/100) are indicated at the branch nodes. The

outgroup (Aquifex pyrophilus Kol5A - NR029172) was removed for clarity 85 FIG. 2.5. 16S rDNA gene (1400 pb) ML phylogenetic trees showing High Arctic snow

Betaproteobacteria (red) and some of their closest neighbors (>97%) in the groups Polaromonas (A) and AquaspirillumlJanthinobacterium (B) from GenBank. The accession numbers are indicated and isolation sources are given in parenthesis. Green indicates that the sequences were from confirmed psychrotolerant isolates and blue from psychrophilic isolates. The vertical purple line indicates the cold clade.

Significant bootstrap values (>60/100) are indicated at the branch nodes. The outgroup

(Aquifex pyrophilus Kol5A - NR029172) was removed for clarity 86 FIG. 2.6. Source environment of eukaryotic clones according to the sampling site and

compiling the isolation source of all the sequences in GenBank having >98% similarity with a specific clone representing one OTU. Clone abundances were

determined from the RFLP pattern repeats 87 FIG. Al. Analyse de groupement (cluster analysis) des communautés bactériennes (A) et

eucaryotes (B) suivant l'algorithme Bray-Curtis. La similarité entre les communautés est calculée à l'aide de l'abondance relative des clones à l'intérieur des OTUs (>97% de similarités entre les séquences bactériennes et >98% pour les eucaryotes) selon le site (WHI : air sur l'île Ward Hunt, CLA/B : neige sur le lac Char aux sites A ou B,

LA : neige sur le lac A, DFA/B/C : neige sur le fjord Disraeli aux sites A, B ou C). Aux nœuds des branches sont indiqués en pourcentage les valeurs pour 1000

bootstraps 120 FIG. A2.1. Photomicrographes de cultures de cyanobactéries isolées à partir de la neige sur

le couvert de glace du lac Ward Hunt en mai 2008. L'analyse moléculaire du gène ARNr 16S a permis d'identifier le plus proche parent cultivé dans GenBank (entre parenthèses): A) WHL-10 (Synechococcus sp. PCC 7502 - 99,2%), B) WHL-27 (Phormidium priestleyi ANT.LH66.1 - 98,1%), C) WHL-30 (Nostoc commune strain

KU002 - 98,7%),. Barre = 10 um 121 FIG. A2.2. Photomicrographes de cultures de cyanobactéries isolées à partir de la neige sur

le couvert de glace du lac A en mai 2008. L'analyse moléculaire du gène ARNr 16S a permis d'identifier le plus proche parent cultivé dans GenBank (entre parenthèses): A) AN-1 (Nostoc sp. SKJF2 - 99,5%), B) AN-11 (Nostoc sp. SKJF2 - 99,5%), C) AN-15

(Nostoc commune strain KU002 - 98,7%). Barre = 10 um 122 FIG. A2.3. Photomicrographes de cultures de cyanobactéries isolées à partir de la neige sur

le couvert de glace du lac Char en juin 2008. L'analyse moléculaire du gène ARNr 16S a permis d'identifier le plus proche parent cultivé dans GenBank (entre

parenthèses): A) CLA-11 (Leptolyngbya frigida ANT.LH53B.2 - 97,5%), B) CLA-17 (Leptolyngbya frigida ANT.LH53B.2 - 94,3%), C) CLA-20 (Nostoc commune strain KU002 - 98,7%), D) CLB-2 (Anabaena sp. XPORK36C - 93,2%). Barre = 10 um. 123

Au cours des 3,8 milliards d'années approximatives qui ont suivi leur établissement précoce sur la Terre (Schidlowski, 1988), les microorganismes ont établi, et entretiennent depuis, tous les cycles biogéochimiques. Certaines étapes critiques dépendent même entièrement de leurs activités comme la fixation de l'azote unique aux bactéries. L'étonnante liste de leur répertoire métabolique, allant de l'oxydation de la matière organique à la réduction de l'uranium (Wall and Krumholz, 2006), explique en partie qu'ils occupent tous les écosystèmes de la planète. L'activité métabolique bactérienne fut mesurée dans bon nombre d'environnements extrêmes tels les sources hydrothermales profondes (Jannasch et al., 1992), les déserts (Gorbushina, 2007) et les environnements polaires (Thomas et al., 2008; Vincent and Laybourn-Parry, 2008). En plus de leur diversité et de leur flexibilité métaboliques, la petite taille des microorganismes, leur omniprésence et la plasticité génétique reliée au transfert horizontal de leurs gènes favorisent une évolution rapide vers une adaptation à la panoplie d'habitats de la planète (Guerrero and Berlanga, 2006). En somme, la biodiversité génétique et fonctionnelle de la planète est essentiellement microbienne (Née, 2004), dominée par les eubactéries, les archaebactéries, les eucaryotes microscopiques et les virus.

En ce début de 21e siècle, les scientifiques sont encore affairés à établir les fondements en

microbiologie polaire. Malgré l'existence d'ouvrages qui résument l'information disponible sur des écosystèmes microbiens ciblés, peu de revues de littérature rédigées en français exposent globalement les connaissances sur les écosystèmes froids de la Terre. Ainsi, en plus de présenter les notions nécessaires à la compréhension de ce projet de maîtrise, le premier chapitre de ce mémoire rassemble aussi les connaissances disponibles sur les écosystèmes microbiens de la cryosphère. Tout d'abord, les problématiques reliées à la biodiversité, à la biogéographie microbienne et à la dispersion aérienne des microorganismes sont présentées. Un aparté sur l'histoire et l'évolution des mondes de glace et de leurs habitats expose l'intime relation qui existe entre eux et les microorganismes. L'accent est finalement porté sur la microbiologie de la neige où le milieu représente un habitat, mais aussi une porte d'entrée vers le confinement prolongé des

microorganismes dans le corps des glaciers. L'idée d'utiliser les microorganismes comme témoins des climats passés est brièvement discutée. En dernier lieu, les hypothèses et les objectifs de ce projet de maîtrise sont énumérés.

1.1- Biodiversité microbienne

Le terme « biodiversité » fait référence à la variété et à l'abondance des organismes vivants sur la planète (Staley and Gosink, 1999). En microbiologie, la description de la biodiversité se heurte à divers défis d'ordre technique et conceptuel qui ralentissent l'avancée de notre compréhension de l'écologie et de l'évolution microbienne. Des problèmes fondamentaux en lien avec le nombre et l'identité des espèces embrouillent notre vision du monde microbien. En juin 2010, le nombre d'espèces bactériennes officiellement reconnues suivant le Code international de la nomenclature bactérienne se chiffrait à 10119 (http://www.dsmz.de/microorganisms/main.php?contentleft_id=14). Les estimations du nombre total d'espèces bactériennes sur la planète oscillant entre 106 et 1012, il paraît juste

d'affirmer que <10% de la biodiversité microbienne, peut-être même <1%, a été décrit jusqu'à ce jour (Weisse, 2006).

1.1.1- Limites techniques et innovations

Avant les années 1970, les microbiologistes devaient inévitablement caractériser les microorganismes au moyen de cultures. Procéder de la sorte impose une tâche fastidieuse puisque la composition des milieux adéquats pour chaque espèce inconnue doit être déterminée et que plusieurs milieux de culture doivent être utilisés pour révéler la biodiversité d'un site d'échantillonnage. Cette tâche est aussi ingrate d'un point de vue écologique puisque uniquement une faible proportion, entre 0,1% et 1% de la biodiversité totale, se révèle cultivable. De plus, les microorganismes peuvent se retrouver dans un état viable mais non cultivable causé par des problèmes physiologiques et structuraux subléthaux induits par les stress environnementaux (Smith et al., 1994). À cette époque, espérer connaître l'entièreté de la biodiversité microbienne tenait du rêve.

Aujourd'hui, la recherche environnementale bénéficie d'une révolution des technologies, incluant le traitement informatique des images prises par microscopie, la cytometric de flux et les techniques moléculaires, qui viennent complementer les méthodes classiques de

culture en microbiologie. Dans le lot des techniques moléculaires, la PCR (polymerase chain reaction), inventée dans les années 1980 par Kary Mullis, a décuplé le pouvoir d'analyse des séquences d'ADN en permettant d'amplifier à volonté un segment choisi sur la molécule. Depuis 1987, l'ADN, dans laquelle l'information métabolique, évolutive et identitaire est cryptée, doit être caractérisé pour chaque nouvelle espèce décrite. Officiellement, pour être classées à l'intérieur de la même espèce, deux souches bactériennes doivent posséder des molécules d'ADN qui s'hybrident à >70% et qui démontrent un écart de température de fusion de <5°C (Wayne et al., 1987).

Un avancement crucial dans la classification phylogénétique du vivant a découlé de l'analyse des gènes de la petite sous-unité du ribosome, TARN ribosomique (ARNr) 16S pour les procaryotes et 18S pour les eucaryotes. Ces gènes universels ne sont pas traduits, l'ARNm transcrit constitue directement le squelette où viennent se greffer les protéines du ribosome. Sans fonction enzymatique, les ARNr ne sont pas sous l'influence de la sélection et des mutations neutres s'y introduisent au hasard au fil du temps. Ils agissent comme des horloges moléculaires en évoluant selon un tempo quasi indépendant des modes d'évolution (Woese, 1987). En comparant les séquences de ces gènes entre elles, Woese a déterminé que le vivant se divise en trois grands domaines : les archaebactéries, les eubactéries et les eucaryotes dont la diversité est dominée par les protistes, les eucaryotes unicellulaires (Fig. 1.1). L'arbre de la vie qui en résulte expose l'importance de la biodiversité microbienne en opposition aux organismes supérieurs qui n'occupent que quelques branches de l'arbre.

En écologie microbienne, les séquences des gènes ARNr 16S et 18S sont couramment utilisées pour rapporter la biodiversité. Grâce à l'amplification environnementale de ces gènes, a été révélée l'ampleur des rôles écologiques de nouveaux phyla, tels Verrucomicrobia et Acidobacteria qui sont mal représentés dans les collections de culture (Wagner and Horn, 2006; Eichorst et al., 2007). Il fut observé que des bactéries dont l'ADN génomique s'hybridait à >70%, appartenant donc à la même espèce selon le critère d'hybridation de l'ADN, possèdent des ADNr 16S similaires à >97% (Rossellô-Mora and Amann, 2001). Ainsi, un seuil de 97% de similarités entre des séquences d'ADNr 16S sont fréquemment employés pour délimiter les espèces procaryotes tandis que le seuil de 98%

Eubactéries

bactéries bactéries bactéries Qram- vertes non-pourpres n0Sjtives sulfureuses cyanobactéries

flavobactéries Thermotoga

halophiles méthano- thermophiles extrêmes _{genes extremes}

Eucaryotes ciliés champignons plantes flagellés Archéobactéries

FIG. 1.1. Arbre phylogénétique du vivant bâti suivant l'alignement des séquences des ADNr (petite sous-unité) de quelques espèces et exposant les trois domaines (Woese, 1987).

100 Pourcentage de similarités g8 entre ADNM6S 9 6 J inférieures communes des espèces • • • 20 40 60 80 pourcentage de similarités ADN-ADN

100

FIG. 1.2. Pourcentage d'hybridation ADN-ADN en fonction des similarités dans les séquences d'ADNr 16S d'espèces bactériennes des groupes Proteobacteria, Bacteroidetes et Firmicutes. La figure montre que des espèces éloignées selon le critère d'hybridation peuvent posséder des séquences d'ADNr 16S similaires à >97% (Rossellô-Mora and Amann, 2001).

de similarités entre les séquences d'ADNr 18S est utilisé pour les eucaryotes. Par contre, ce critère de classification doit être utilisé avec précaution puisque des espèces distinctes peuvent posséder des séquences qui s'alignent au-delà de ce seuil. En fait, des souches possédant des ARNr 16S similaires à >97% peuvent détenir des brins d'ADN génomique qui s'hybrident à entre <20% et 70% (Fig. 1.2).

Le seuil de détection des techniques moléculaires conventionnelles comme les banques de clones impose aussi une restriction. Les espèces qui constituent <0,1% d'une communauté restent indétectables à travers la masse imposante d'individus (Pedrôs-Aliô, 2006). Toutefois, l'innovation technologique repousse plus loin ces limites et mène à l'émergence de nouveaux concepts. Par exemple, recenser les espèces rares d'une communauté demande un effort imposant de séquençage. L'analyse de 118 000 séquences, prélevées dans les eaux profondes du nord de l'océan Atlantique et obtenues par la méthode de séquençage 454, a mené Sogin et al. (2006) a stipulé le concept de biosphère rare. Selon ce concept, une grande proportion de la communauté est constituée de plusieurs espèces non actives dont l'abondance est infime (Fig. 1.3). Ces espèces persistent dans le milieu en raison d'une faible pression de prédation et de lyse virale (Pedrôs-Aliô, 2006). Dans le premier cas, il fut observé que les protistes en tant que prédateur choisissent les proies plus volumineuses, soient les bactéries abondantes en croissance active. Dans le deuxième cas, il est peu probable qu'un virus rencontre l'espèce ciblée si elle est présente en très faible abondance dans le milieu. On s'attend aussi à ce que la biosphère rare possède une distribution cosmopolite causée par la grande capacité de dispersion microbienne. Ainsi, une espèce rare qui immigre dans un nouvel environnement a beaucoup de chances de persister et d'intégrer la communauté rare aux côtés des membres actifs de l'habitat en question. Puis, lorsque les conditions deviennent propices, un phylotype rare peut devenir abondant.

Cependant, Galand et al. (2009) proposent que la biosphère rare soit impliquée dans les cycles biogéochimiques sans même que ses membres deviennent abondants. Les auteurs ont analysé 545 246 séquences bactériennes et 195 107 séquences archéennes échantillonnées dans les eaux de surface et profondes de l'océan Arctique. Les taxons abondants se chiffraient à 106 phylotypes bactériens et 22 archéens contre 6859 phylotypes bactériens rares et 369 archéens. Parmi les phylotypes bactériens rares, 99% n'avait jamais

Nombre

d'individus extinction

dispersion globale

abondant Rang des taxons _rare

FIG. 1.3. Nombre d'individus en fonction du rang de l'abondance des taxons. La courbe représente la biodiversité totale et est composée de deux sections. 1) En rouge, les taxons contenant un nombre élevé d'individus. Ces taxons sont en croissance active et sont sujets à la perte par prédation et par lyse virale. 2) En bleu, les taxons rares sont constitués d'un faible nombre d'individus qui persistent à l'état de dormance ou de spore. Puisque ces espèces sont rares, il est peu probable qu'elles soient attaquées par des virus ou des prédateurs et l'extinction peut seulement survenir par mort cellulaire (Pedrôs-Aliô, 2006).

été détecté dans la fraction abondante. Par contre, une proportion dominante des phylotypes rares était apparentée phylogénétiquement aux espèces abondantes. Se basant sur ces observations, les auteurs spéculent que la biosphère rare soit impliquée dans les cycles biogéochimiques puisqu'elle en possède la capacité. Par exemple, dans les eaux profondes, des membres de la biosphère rare appartenaient aux groupes Deltaproteobacteria (SAR324), Chloroflexi (SAR202) et SAR 406 qui sont communément actifs au fond des océans. Néanmoins, un nombre important de taxons rares n'était pas répertorié dans les banques de données ce qui suggère que les taxons rares sont toujours rares dans tous les environnements de la planète.

En résumé, les techniques moléculaires s'avèrent des outils inestimables en microbiologie et leur développement est garant de cet espoir qui semblait perdu au troisième quart du 20e

siècle de percer les secrets de ce monde invisible.

1.1.2- Limites conceptuelles

L'étude de la biodiversité microbienne est intrinsèquement minée puisque son unité de base, l'espèce elle-même, reste largement à définir. Contrairement aux macroorganismes, les microorganismes sont pour la plupart asexués et possèdent peu de caractères morphologiques discriminatifs. Les concepts d'espèce biologique et morphologique, amplement utilisés en écologie générale, ne sont donc pas universellement applicables au monde microscopique. Pour surmonter ce problème, divers concepts ont été énoncés comme l'espèce écologique, génétique, évolutive, phénétique ou phylogénétique (Mayden, 1997). Ces concepts utilisent des critères dont l'importance et la dynamique varient différemment au cours des processus de spéciation selon le contexte évolutif. Kevin de Queiroz proposait plutôt de réconcilier ces concepts en un seul concept unificateur dont le but serait de calibrer « l'état évolutif» des espèces pour délimiter leur groupe. Il a ainsi stipulé le concept de lignée de métapopulations dans lequel une espèce correspond à une métapopulation (un groupe de populations interconnectées qui partage un pool génétique commun) qui évolue de manière séparée aux autres, suivant une lignée évolutive distincte (de Queiroz, 1998; de Queiroz, 2005). De Queiroz voit donc le concept général de

l'évolution distincte de la lignée d'une métapopulation comme la seule propriété nécessaire, les autres critères décrits par les autres concepts n'étant que conditionnels.

Dans le contexte actuel, l'application d'un tel concept pour définir les espèces est incertaine puisque l'évolution microbienne recèle aussi de nombreux mystères. Les microbes semblent expérimenter une évolution rapide en raison de leur temps de génération court. Leurs génomes accumulent rapidement des modifications par mutation, deletion, duplication et transfert latéral de gènes, mais les mécanismes qui poussent les microorganismes vers la spéciation demeurent peu connus. Un questionnement réside donc sur la dynamique des changements de la biodiversité. Certainement, la spéciation sympatrique semble un mode important, qui est entre autres au cœur du concept d'espèce écologique (Cohan, 2001). Par exemple, à partir de cultures fermées et continues d'E. coli souche JA122, Rosenzweig et al. (1994) ont obtenu après 773 générations une population constituée de trois clones distincts, chacun adapté à une niche différente et croissant dans un équilibre stable. Le milieu de croissance glucose simple est ainsi devenu un environnement chimique complexe stable où le glucose, l'acétate et le glycerol étaient spécifiquement consommés par les trois souches résultant de cette expérience. Cette étude démontre clairement le dynamisme évolutif potentiel des bactéries. À l'opposé, l'occurrence de la spéciation allopatrique dans le monde microbien est encore hautement controversée. Ce questionnement est fortement couplé à l'étude de la biogéographie parce que la spéciation allopatrique ne peut survenir que si des barrières géographiques à la dispersion microbienne existent.

Somme toute, un urgent besoin de définir et de comprendre la biodiversité microbienne et son évolution se fait sentir. Une des premières étapes dans la réalisation de cet objectif est de répertorier les microorganismes présents dans l'environnement et de déterminer leur distribution et leur patron de dispersion à l'échelle planétaire.

1.2- Biogéographie microbienne et dispersion aérienne

La biogéographie étudie la distribution spatiale et temporelle de la biodiversité et sert ainsi à préciser les mécanismes qui engendrent et maintiennent la diversité comme la dispersion, la spéciation, l'extinction et les interactions entre les espèces (Hughes Martiny et al., 2006).

Sa caractérisation génère des implications sur les patrons évolutifs et sur la dimension de la biodiversité globale et nous renseigne sur les rôles écologiques des espèces microbiennes. L'étude de la dispersion aérienne des microorganismes aide à définir la biogéographie puisque le transport atmosphérique semble être une voie principale de dissémination microbienne entre les écosystèmes éloignés.

1.2.1- Cosmopolitisme et endémisme chez les microorganismes

En étudiant la distribution des macroorganismes, les biologistes ont mis en lumière deux patrons d'occupation du territoire : le cosmopolitisme et l'endémisme. Une espèce cosmopolite possède une capacité de dispersion élevée et occupe des habitats répartis partout à la surface du globe. À l'opposé, avec une faible capacité de dispersion, l'espèce endémique n'est retrouvée qu'à un endroit spécifique de la planète. Elle occupe une province, un lieu donné où un événement historique a provoqué la divergence de l'espèce dorénavant isolée de ses ancêtres sur la province.

En raison de leur taille microscopique, de leur capacité accrue à résister aux conditions adverses et de leur haute densité de population, les microorganismes sont souvent perçus comme ayant un pouvoir de dispersion illimité. Avec ces capacités, ils seraient capables de coloniser tout environnement qui leur serait favorable menant à une distribution cosmopolite. Cette hypothèse se traduit par l'énoncé de Baas Becking (1934) «Tout est partout, l'environnement sélectionne ». Finlay et Esteban (2004) ont recensé plusieurs espèces morphologiques de protistes qui démontraient une distribution globale. Par exemple, le flagellé anaérobique Postgaardi mariagerensis découvert dans un fjord danois était aussi présent dans un lac de l'Antarctique. Plusieurs études utilisant l'ADNr 16S sont aussi parvenues aux mêmes conclusions. Baurain et al. (2002) ont étudié 21 souches de la cyanobactérie Arthrospira prélevées dans une quinzaine de lacs riches en carbonate-bicarbonate (soda lakes) situés sur quatre continents. L'analyse des séquences d'ADNr 16S et de la région transcrite entre les gènes ARNr 16S et 23S a démontré que ces souches appartenaient à une espèce cosmopolite. Jungblut et al. (2010) ont aussi observé que certaines souches de cyanobactéries du Haut-Arctique canadien étaient très semblables à

d'autres de la région polaire sud incluant certaines espèces antérieurement considérées endémiques à l'Antarctique.

Par contre, ces études demeurent controversées puisque les caractères morphologiques et les séquences d'ADNr 16S et 18S sont trop conservés entre espèces distinctes pour parvenir à des conclusions complètement persuasives. Cependant, Zeng et al. (2010), en utilisant une approche polyphasique qui combinait analyses phénotypiques et génotypiques, ont démontré que des souches de Shewanella frigidamarina isolées des océans Arctique et Austral occupaient les deux pôles bien que des variations dans certains traits phénotypiques étaient notables. Les auteurs soulevaient les caractères généralistes des souches, dont la tolérance au froid et aux environnements salés, pour expliquer leur distribution globale. Par ailleurs, de plus en plus d'observations s'accumulent suggérant que certaines espèces microbiennes pourraient être endémiques. À certains égards, l'énoncé de Baas Becking « tout est partout » semble légèrement faussé puisque les microorganismes ne sont pas tous aussi résistants et ne forment pas tous des populations denses. De plus, il ne s'applique peut-être pas aux espèces spécialistes ou à celles qui occupent des habitats très isolés ou difficiles d'accès. L'étude des populations microbiennes habitant les sources hydrothermales a fourni les données les plus convaincantes concernant l'existence d'espèces microbiennes endémiques. Whitaker et al. (2003) ont démontré une limitation du flux génique entre des populations de Sulfolobus provenant de sources hydrothermales de la Russie orientale, de l'Amérique du Nord et de l'Islande. À priori, la dispersion ubiquitaire de cette archaebactérie semble très improbable puisqu'elle ne forme pas de spores et que ses conditions optimales de croissance surviennent à 80°C et à pH 3. En dehors de ces conditions, le cycle cellulaire est interrompu et la dégradation de l'ADN s'amorce. En vue d'explorer l'endémisme potentiel de cette espèce, les auteurs ont analysé phylogénétiquement neuf loci chromosomiques concaténés appartenant à 78 individus ayant des séquences d'ADNr 16S identiques à plus de 99,8%. Au terme de leur étude, les auteurs ont démontré que les populations des différentes régions géographiques se groupaient en clades (Fig. 1.4) et qu'elles possédaient des histoires évolutives distinctes selon la région qu'elles occupaient. Il est intéressant de noter que l'analyse individuelle des

M16E

Iceland J*"1"1

Uzon/

Geyser Valley

C64 Yellowstone

FIG. 1.4. Arbre phylogénétique maximum likelihood réalisé avec neuf loci concaténés de souches de Sulfolobus prélevées dans des sources hydrothermales de la Russie (Mutnovsky et Uzon/Caldera Valley), de l'Islande et de l'Amérique du Nord (Lassen et Yellowstone). Les nombres le long des branches principales représentent les valeurs de bootstrap suivant l'algorithme maximum likelihood et entre parenthèse maximum parsimony (Whitaker et al., 2003).

neuf loci, sans concaténation, ne fournissait pas la résolution requise pour parvenir à cette conclusion. Cette remarque soulève l'importance d'utiliser des marqueurs moléculaires appropriés et assez sensibles pour interpréter les comportements de la biodiversité microbienne.

r m

Eclaircir les patrons biogéographiques des microorganismes amène d'importantes implications évolutives. À une extrême, si toutes les espèces sont cosmopolites, on envisage que les phénomènes de spéciation allopatrique soient rares, aucune barrière géographique n'existant pour créer la divergence des espèces (Finlay and Fenchel, 2004). La biodiversité globale serait faible puisque les espèces adaptées à un environnement particulier seraient les mêmes peu importe la localisation géographique. Au contraire, l'existence d'espèces endémiques augmenterait la biodiversité génétique. Finalement, si les espèces rares étaient répandues à la surface de la planète, leur taux d'extinction serait faible, ce qui assurerait une constance phénotypique au travers des âges géologiques.

1.2.2- Les microorganismes, voyageurs aériens

Étant un moyen rapide pour transporter les microorganismes sur de longues distances, le voyage aérien joue un rôle considérable dans la dispersion des microorganismes. Effectivement, les masses d'air peuvent transporter des bactéries à l'échelle mondiale. Entre autres, les tempêtes de sable, un vecteur commun, transportent des sédiments et les bactéries associées sur des milliers de kilomètres. Griffin et al. (2002) évaluent qu'environ 4000 tonnes de sédiments des déserts asiatiques atteignent l'Arctique à chaque minute d'une tempête majeure. Sachant qu'un gramme de poussière désertique peut contenir environ un milliard de cellules bactériennes (Whitman et al., 1998), cette voie de dissémination se révèle non négligeable.

Les bactéries se retrouvent projetées dans les airs par une multitude de moyens : surtout par les vents, la pluie qui percute le sol, l'eau ou les plantes, l'éruption de bulles à la surface des océans, les vagues déferlantes, la toux et les éternuements (Akers et al., 1979). Les activités anthropiques telles l'élevage, l'agriculture, et la circulation routière produisent des aérosols microbiens de manière substantielle. En région arctique, un mécanisme potentiel de production d'aérosols microbiens a été identifié par une étude microbiologique des

fleurs de givre ou frost flowers (Bowman and Deming, 2010). Retrouvées à la surface de la glace de mer, les fleurs de givre sont créées par l'expulsion de la saumure de la matrice de glace lors de la congélation. Etant 3 à 6 fois plus concentrées en bactéries que l'eau de mer sous-jacente, les fleurs de givre représentent une source potentiellement significative d'aérosols microbiens en raison de leur structure friable en forme d'aiguilles projetées dans les airs et exposées aux vents.

Suite à l'aérosolisation des microorganismes, leur dispersion à grande échelle est favorisée par une atmosphère instable, où le déplacement vertical d'une parcelle d'air est renforcé principalement par la turbulence thermique. Ce phénomène s'exprime entre autres par des concentrations atmosphériques de cellules maximales au cours des heures les plus chaudes de la journée.

Fréquemment, les bactéries voyagent attachées à des particules. Lighthart (2000) a même posé l'hypothèse que les particules larges pourraient protéger les bactéries attachées à elles contre les stress environnementaux. Cependant, pour qu'une particule demeure significativement longtemps dans les airs, son diamètre doit être inférieur à 100 um. Au-delà, la particule chute à plus de 0,3 m/seconde et se dépose rapidement (Chatigny et al., 1979). La dispersion des petites particules est donc favorisée. Pour donner un ordre de grandeur, les particules dans l'atmosphère des sites continentaux et côtiers possèdent des diamètres médians de 4 um et de 2 um respectivement (Burrows et al., 2009). La plupart des bactéries possèdent un diamètre autour de 1 um, une taille qui leur permet un temps de résidence dans l'atmosphère parmi les plus longs et qui leur assure une dispersion sur de longues distances. Au terme de leur voyage, les microorganismes regagnent le sol par gravité ou entraînés par les précipitations.

Les microorganismes présents dans l'atmosphère dérivent principalement de deux types de source (Harrison et al., 2005). Premièrement, un réservoir général (par exemple une forêt, une prairie ou un plan d'eau) à partir duquel le relâchement et la dispersion des particules découlent des conditions météorologiques générales. Deuxièmement, une source ponctuelle (par exemple des eaux de traitement ou un champ de construction) dont 1'inoculum peut dominer la charge de fond générale si la source est située dans la course du vent. Dépendamment de la provenance des masses d'air, les concentrations estimées de bactéries

varient entre 1 x 101 et 9,2 x 105 m"3, la première valeur correspondant à l'atmosphère

océanique et la deuxième à l'atmosphère urbain (Burrows et al., 2009). Avec l'altitude, les concentrations diminuent et démontrent une moins grande variance en haute altitude (Akers et al., 1979). Par contre, la réduction des concentrations bactériennes avec l'altitude est moins prononcée que pour les spores de champignons et les pollens, ce qui suggère que les bactéries demeurent plus longtemps en suspension et sont mieux dispersées (Harrison et al., 2005).

Dans l'atmosphère, les concentrations de microorganismes varient de manière spatiale et temporelle. Sur terre, des patrons saisonniers et diumaux s'observent. En été et à l'automne, la charge aérienne se densifie grâce aux mouvements de convection partant du sol réchauffé et se concentre dans la couche atmosphérique inversée. Similairement, le jour, la charge aérienne augmente par convection et diminue la nuit sous l'action de la gravité. Des variations s'observent aussi en fonction de l'environnement terrestre, les sites naturels (déserts, forêts, prairies) étant moins concentrés que les sites urbains (Harrison et al., 2005). En comparaison aux environnements terrestres, les aérosols microbiens au-dessus des océans sont jusqu'à 100 à 1000 fois moins concentrés et leur présence diminue avec l'éloignement du rivage. Toutefois, la charge aérienne au-dessus des océans semble varier en fonction de la productivité marine. Par exemple, Spracklen et al. (2008) ont révélé une corrélation entre la masse de carbone organique d'aérosols marins et les concentrations océaniques de chlorophylle mesurées dans la trajectoire des masses d'air transporteuses des aérosols. Finalement, bien qu'aucune valeur ne soit disponible, on assume que la charge microbienne dans l'air polaire soit très pauvre (Burrows et al., 2009).

En microbiologie classique, le voyage aérien des microorganismes est perçu comme un état de passage en raison des conditions non propices à la croissance (températures basses, peu d'eau disponible, manque de nutriments) et des stress physiques et chimiques importants (dessiccation, radiations ultraviolettes, exposition au SO2, O3 ou CO). Cette perception est appuyée par la dominance des microorganismes sporulés dans l'atmosphère tels des champignons microscopiques viables récoltées à une altitude de 77 km (Imshenetsky et al.,

1978). Cependant, de récentes études proposent que les microorganismes pourraient être métaboliquement actifs dans les nuages et démontrer croissance et reproduction (Sattler et

al., 2001; Amato et al., 2007a). De la sorte, ils interviendraient dans les procédés chimiques de l'atmosphère (Ariya and Amyot, 2004).

De plus, certains microorganismes peuvent catalyser la nucléation de la glace grâce à une protéine membranaire. Les mieux connus sont les bactéries Pseudomonas syringae, P. viridiflava, P. fluorescens, Pantoea agglomérons, Xanthomonas campestris, le champignon microscopique Fusarium avenaceum, l'algue Chlorella minutissima et certains lichens (Christner et al., 2008a). En agissant de la sorte et en étant ubiquitaire dans l'atmosphère (Christner et al., 2008b), ces microorganismes représentent des facteurs potentiellement importants dans la formation des nuages et le développement des précipitations incluant la nucléation des flocons de neige (Mohler et al., 2007). Par ailleurs, en étant incorporés au cœur des flocons, les microorganismes pourraient bénéficier de ce mécanisme comme d'une stratégie de dissémination bien que cette hypothèse doit être évaluée.

Les fleurs de givre, concentrées en bactéries et en exopolymères cryoprotecteurs (EPS) qui attirent l'eau liquide, pourraient représentées des sources importantes de noyaux de condensation biologiques pour les latitudes plus basses (Bowman and Deming, 2010). En contrepartie, une étude suggère que les procédés de bioprécipitation soit d'une importance mineure à l'échelle globale (Hoose et al., 2010). Des simulations modélisées indiquaient que les particules minérales et la suie contribue à -88% et à -12% respectivement au taux de nucléation de glace moyen globale tandis que les bactéries, les spores de champignons et le pollen ne contribuent qu'à 10"5% à 0,6%. Par contre, les auteurs ne diminuent pas

l'importance que peuvent jouer les noyaux de condensation biologiques à l'échelle locale, régionale et saisonnière.

1.3- Les mondes de glace passés et présents

L'état actuel de la biodiversité microbienne est le fruit de longues périodes d'évolution à l'échelle des temps géologiques au cours desquelles les microorganismes ont été en contact avec diverses conditions environnementales qui ont forgé l'assemblage de multiples caractères au sein des espèces. La biosphère microscopique retrouvée dans les environnements froids d'aujourd'hui découle vraisemblablement de ces époques où la Terre était couverte de glace.

Au fil du temps, les microorganismes ont développé deux types de stratégies écophysiologiques pour survivre aux températures de la cryosphère: la psychrophilie et la psychrotolérance. Les organismes psychrophiles sont définis par Morita (1975) comme ceux qui possèdent une température de croissance optimale à <15°C et maximale à 20°C. À l'opposé, les organismes psychrotolérants peuvent croître à <20°C, mais leurs températures optimales de croissance se situent au-delà. Les basses températures peuvent se révéler nocives pour les cellules puisqu'elles induisent entre autres une diminution exponentielle du taux des réactions biochimiques et l'augmentation de la viscosité du milieu (DAmico et al., 2006). En addition, la congélation porte atteinte à l'intégrité des structures cellulaires en modifiant l'osmolarité du milieu et en déclenchant la formation de cristaux de glace tranchants (Morris et al., 1988). Ces effets délétères ont mené à la sélection de propriétés chez les microorganismes comme une structure enzymatique adaptée aux basses températures (Grzymski et al., 2006), la hausse de la fluidité membranaire créée par une proportion élevée d'acides gras insaturés et polyinsaturés (Hamamoto et al., 1994) et l'expression de cold shock proteins (Roberts and Inniss, 1992), de protéines anti-gel (Gilbert et al., 2005) et de substances cryoprotectrices (e.g. Nichols et al., 2005). Les environnements polaires et alpins contemporains contribuent à conserver ces adaptations aux conditions extrêmes de la cryosphère et à développer de nouveaux caractères au sein de ses divers habitats.

1.3.1- Histoire glaciaire

Au cours de son histoire, le climat de la Terre a oscillé entre des périodes chaudes, nommées Terre-serre, et des épisodes froids, la Terre-igloo. Les conditions climatiques de la Terre-serre étaient plus uniformes de l'équateur aux pôles en comparaison à des contrastes géographiques prononcés de température et de climat durant les épisodes de Terre-igloo (Martini et al., 2001). Les archives géologiques relatent au moins cinq principaux épisodes globaux de glaciations (Fig. 1.5): un au Paleoprotérozoïque (-3000 et -2500-2000 millions d'années (Ma) avant aujourd'hui), un au Néoprotérozoïque (-1000-540 Ma), une courte période vert la fin de l'Ordovicien (-500 Ma), la glaciation Permo-Carbonifère (-410-235 Ma) et durant le Cénozoïque depuis -35 Ma (Hambrey and Alean, 2004).

Millions d'années avant le présent 100- 200-300 400- 500- 600- 700- 800- 900-1000; 1500; 2000-2500 3000-4600 v

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FIG. 1.5. Les archives glaciaires au cours de l'histoire de la Terre. Les dépôts glaciogéniques non ambiguës sont représentés en fonction des continents par des rectangles noirs (Eyles, 1993).

Au cours de ces périodes, les environnements glacés pouvaient s'étendre des pôles jusqu'aux mi-latitudes. Certains auteurs ont même rapporté l'existence de glaciations globales d'une durée de plusieurs millions d'années au cours desquelles la Terre aurait été complètement recouverte de glace pendant le Protérozoïque (Kirschvink, 1992; Hoffman et al., 1998). Ce scénario, nommé Terre boule de neige ou Snowball Earth, se base sur plusieurs éléments de preuve recueillis dans des couches géologiques datant d'environ 2,4 milliards d'années (Ga), 710 Ma et 635 Ma (Kirschvink et al., 2000; Abbot and Pierrehumbert, 2010). Notamment, des dépôt de fer et de fer-manganèse dans des sédiments glaciaires impliquent l'existence d'un océan anoxique complètement couvert d'une épaisse couche de glace mesurant entre 500 et 1500 m. La caractérisation paléomagnétique de ces roches glaciogéniques rapportent que ces dépôts se sont formés dans les paléolatitudes équatoriales, suggérant fortement que la marge des glaces atteignait les régions potentiellement les plus chaudes de la planète (Hambrey and Alean, 2004). Une température de surface moyenne de -20 à -50°C (Kirschvink et al., 2000) et un milieu terrestre très sec en raison de la rupture du cycle hydrologique auraient sévèrement gêné la croissance des communautés microbiennes de l'époque. Un couvert de glace aussi épais aurait grandement restreint la photosynthèse océanique et le développement subséquent des échelons du vivant. Cependant, certains microorganismes contemporains sont bien adaptés aux conditions extrêmes des environnements cryogéniques et occupent des habitats aussi inusités que la base des glaciers ou les sols polaires désertiques. À l'époque, les sources hydrothermales profondes des océans auraient aussi pu constituer un refuge pour la vie. Ainsi, les cryohabitats de la Terre boule de neige aurait pu être occupé par des organismes vivants incluant des microinvertébrés comme des tardigrades ou des nematodes (Vincent et al., 2004a). Ces événements historiques ont vraisemblablement engendré des implications évolutives importantes, entre autres par la sélection des microorganismes psychrophiles, adaptés aux conditions froides.

Étant plus récentes, les glaciations du Quaternaire ont laissé beaucoup plus de traces géologiques et géomorphologiques qui ont été intensément étudiées. Amorcé il y a -50 Ma conjointement avec le développement des courants océaniques circumpolaires de l'océan Austral et s'intensifiant il y a -36 Ma avec l'établissement de la calotte polaire de

FIG. 1.6. Étendue des inlandsis sur l'Amérique du Nord au dernier maximum glaciaire (-18000 ans avant aujourd'hui). L'élévation des contours (en mètres) est indiqué par les isolignes (Dyke et al., 2002).

l'Antarctique (Martini et al., 2001), la période glaciaire du Quaternaire, bien installée il y a -2,5 Ma, fut globale et épisodique, caractérisée par la succession de cycles glaciaires et inter-glaciaires (Head et al., 2008). Au cours de cette période, de grands inlandsis recouvraient l'Amérique du Nord, l'Europe, l'Asie et l'Antarctique (Ehlers and Gibbard, 2007). Par exemple, en Amérique du Nord au moment des maxima glaciaires (Fig. 1.6), le continent était couvert de glace de l'océan Arctique jusqu'au Wisconsin, en Illinois et au Nebraska et du plateau continental Pacifique jusqu'à l'Atlantique couvrant une surface estimée à 15,5 x 106 km2 au dernier maximum glaciaire, il y a -20 000 ans (Giret, 2008).

La fonte rapide de cette structure à partir d'environ 20 000 à 18 000 ans avant aujourd'hui a produit de gigantesques lacs à sa marge comme le lac Agassiz qui a atteint une surface de 350 000 km2 (Martini et al., 2001).

Bien que le système climatique est oscillé entre stades glaciaires et interglaciaires au cours des derniers millénaires, les écozones ont suivi une certaine forme de persistance. De manière générale, les différents écosystèmes ont migré vers le sud au moment des englaciations et remonté vers le nord lors des déglaciations. Par exemple, au moment du dernier maximum glaciaire, l'inlandsis Laurentidien était bordé au nord par le désert polaire, qui couvrait de manière importante le Yukon, l'Alaska et la région émergée du détroit de Bering, et au sud-ouest par la toundra qui occupait l'état de Washington (Giret, 2008). Aujourd'hui, ces écozones ne se retrouvent pas sous ~54°N, limite sud de la toundra située au Québec (Bailey, 2002). À la bordure sud de l'inlandsis, à partir de l'ouest, une steppe sèche et des prairies de plus en plus arborées faisaient place vers l'est à la forêt boréale dominée par le pin et l'épicéa. La limite méridionale de la forêt boréale pouvait atteindre 34°N (Jackson et al., 2000) en comparaison à la limite actuelle située à 48°N dans la région des Grands-Lacs (MacDonald, 2002). Bien entendu, le déplacement géographique de l'aire de distribution des espèces est survenu de manière plus complexe qu'une simple migration dans l'axe latitudinale. Par exemple, le déplacement des mammifères aux États-Unis s'est manifesté par la migration des espèces à des temps différents et dans des directions divergentes incluant l'axe est-ouest (Graham et al., 1996).

Cette migration des niches a été bénéfique à une certaine continuité évolutive de la vie en conservant des refuges pour les espèces ayant des températures optimales de croissance

plus tempérées incluant les psychrotolérants. Par contre, l'ampleur du contexte glaciaire a sans doute favorisé l'expansion de l'aire de distribution des espèces psychrophiles même si la dynamique de l'évolution microbienne dans ce contexte reste largement à définir. Ainsi, en plus des épisodes glaciaires globaux du Précambrien, les conditions environnementales du passé récent ont vraisemblablement forgé la biodiversité de la cryobiosphère contemporaine.

1.3.2- Climats de la cryosphère contemporaine

Dans un stade interglaciaire, la biosphère d'aujourd'hui est encore en contact avec des environnements froids éparpillés à la surface du monde. À titre d'exemple, -35% de la surface terrestre est recouverte de neige de manière permanente ou intermittente (Miteva, 2008) dans les zones climatiques polaire, tempérée et même tropicale là où les glaciers existent dans un contexte alpin.

La zone polaire occupe -15% de la surface planétaire et inclut l'inlandsis du Groenland d'une superficie d'environ 1,7 x 106 km2 et les inlandsis de l'Antarctique mesurant -12,3 x

ft "y

10 km (Allison et al., 2009). La faible inclinaison du soleil avec un maximum de 23°27' aux pôles, un cycle de six mois de jour opposé à six mois de nuit et l'importance de F albédo sont les principaux facteurs qui font de cette zone la source de froid de la planète (Vigneau, 2000). Évidemment, des variations climatiques existent à l'intérieur de cette zone, certains endroits subissant des températures plus douces comme en Alaska occidental, sur une portion du littoral labradorien ou à Spitzberg. Aussi, une distinction importante existe entre l'Arctique et l'Antarctique, le premier étant caractérisé par un océan entouré de continents et le deuxième correspondant à l'inverse.

De manière générale, les hivers polaires sont longs, les étés sont courts et introduits par un intense épisode de dégel et les amplitudes thermiques, jusqu'à 40°C, sont prononcées. Dans l'Arctique, les températures moyennes annuelles oscillent entre 2°C, aux endroits où le climat est plus doux, et au-delà de -30°C sur l'inlandsis groenlandais (Vigneau, 2000). Le climat est plus rude en Antarctique, les températures moyennes annuelles allant de -4°C à -55°C. Les précipitations sont faibles dans cette zone climatique avec des valeurs moyennes de 100 mm à 800 et 1000 mm dans l'Arctique et l'Antarctique respectivement. Les espèces

vivant dans ces environnements sont non seulement menacées par les stress hydrique et thermique, incluant les cycles de gel et de dégel, mais aussi par l'exposition continue aux radiations solaires pendant l'été. De surcroît, depuis l'amincissement de la couche d'ozone beaucoup plus prononcé aux pôles (Rozema et al., 2005), les conséquences reliées à l'augmentation du rayonnement ultraviolet font l'objet d'examens minutieux (ex. Bonilla et al. 2009). Un stress supplémentaire consiste en la faible productivité des écosystèmes qui restreint la disponibilité en nutriments allochtones (Pienitz and Vincent, 2000).

Correspondant grossièrement aux latitudes entre 40° et 65° N et S, la zone tempérée est loin d'être constante, mais plutôt constituée d'une variété d'ensembles climatiques. Marginale dans l'hémisphère sud en raison de sa faible superficie terrestre, la zone tempérée s'exprime principalement dans l'hémisphère nord. Dans cet hémisphère, la convergence des masses d'air en provenance de l'Arctique et des tropiques se traduit par une diversité d'ambiances et une alternance des conditions atmosphériques à l'échelle saisonnière comme journalière.

La relative influence des continents et des océans produit de forts contrastes spatiaux et découpe la zone en trois secteurs : les marges occidentales, le centre des continents et les marges orientales (Vigneau, 2000). Les façades occidentales des continents aux latitudes tempérées subissent une forte influence des océans qui tendent à adoucir le climat (Hertzman, 1998). Restreint à l'ouest des Rocheuses en Amérique du Nord et couvrant la majorité de l'Europe, ce type de climat se caractérise par sa modération thermique (Godard and Tabeaud, 2009). C'est plutôt au centre des continents que le froid prend toute l'ampleur de son pouvoir surtout aux alentours du 60e parallèle nord (Fig. 1.7A). La Sibérie, par

exemple, est le domaine de la taïga et du pergélisol, les cours d'eau sont gelés 200 jours par année et le manteau neigeux perdure pendant 200 à 280 jours (Chernov and Matveyeva, 1997). De forts contrastes saisonniers surviennent entre les hivers glaciaux, avec des températures moyennes de janvier entre -18°C et -48°C, et les étés aux moyennes de 5°C à 20°C en juillet (Chernov and Matveyeva, 1997). Au centre de l'Amérique du Nord, le climat est similaire, mais les extrêmes y sont moins prononcées et le couvert neigeux y est plus épais quoique moins durable (Vigneau, 2000). En se dirigeant vers la marge orientale

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FIG. 1.7. Températures moyennes au niveau de la mer en janvier (A) et en juillet (B) (Vigneau, 2000).

des continents, les précipitations augmentent atteignant des sommets en Amérique, dans les maritimes à l'entrée du Golfe du Saint-Laurent avec une moyenne annuelle de 1500 mm (Hare, 1998), et en Asie, au nord du Japon qui accumule d'épaisses couches de neige avec plus de 1800 mm de précipitations annuelles (Vigneau, 2000). Dans la zone tempérée, les organismes vivants doivent faire face à de grandes amplitudes des températures allant souvent au-delà de 30°C et pouvant atteindre 100°C (Hidore et al., 2010).

Les milieux alpins comportent des environnements où la cryosphère peut survenir loin des limites polaires (Fig. 1.8). Les écosystèmes alpins, définis comme ceux occupant les régions montagneuses au-dessus de la limite des arbres, couvrent approximativement 3% de la surface terrestre (Nagy and Grabherr, 2009). Leur emplacement géographique à l'intérieur des différentes zones climatiques influence leurs conditions environnementales, mais une caractéristique frappante est la verticalité des climats alpins. Avec l'altitude, la température de l'air diminue d'environ 1°C par 100 m d'élévation (Hidore et al., 2010). La diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude a pour effet de diminuer la pression partielle des différents gaz dans l'atmosphère ainsi que dans les milieux aquatiques et, conséquemment, de réduire leur disponibilité pour les activités biologiques.

A l'opposé, le couvert nuageux varie en fonction de la latitude ayant des répercussions sur l'éclairement solaire et les précipitations. On retrouve un couvert nuageux important aux latitudes 10°N à 10°S, 50° à 60°N et 45° à 60°S, faible entre 20° et 30° dans les deux hémisphères tandis que dans la zone subtropicale le couvert est faible en été et prononcé en hiver (Nagy and Grabherr, 2009). Règle générale, les précipitations augmentent jusqu'à une certaine altitude qui varie en fonction de l'emplacement géographique. Au mont Logan, Yukon, ayant un sommet de 5959 m, ce seuil se situe entre 1500 m et 3000 m (Saunders et al., 1997). Enfin, avec l'altitude, les organismes vivants sont de plus en plus exposés au rayonnement ultraviolet (Sommaruga, 2001).

Toutes ces caractéristiques variées produisent une diversité de zones altitudinales. La végétation arborescente sous la zone alpine devient parsemée avec l'altitude jusqu'à la ligne des arbres, définie comme la limite où des groupes d'arbres avec une taille approximative de 3 m croissent (Nagy and Grabherr, 2009). Par exemple, dans les Alpes, la ligne des arbres se trouve à -1800 m dans les chaînes montagneuses en périphérie et à

Aires glacés inlandsis et champs de glace plate-forme de glace (Antarctique) glaciers alpins et autres petites masses de alace Inlandsis ouest de l'Antarctique

FIG. 1.8. Emplacement des environnements de glace pérenne terrestres. Cette figure expose les vastes distances qui séparent les cryohabitats de la planète. (Hambrey and Alean, 2004)

-2400 m à l'intérieur (Grabherr, 1997). Au-delà, les arbres adultes ne poussent pas et la zone est qualifiée d'alpine. Dans cette zone, une végétation d'arbustes nains cède la place à des prairies et des steppes à -2000 m dans les chaînes montagneuses en périphérie et à -2500 m à l'intérieur. La limite imaginaire, où la neige accumulée au cours de l'hiver ne fond pas entièrement en été, marque le début de la zone nivale, à -3100 m dans le massif de l'Ôtztal dans les Alpes orientales centrales. Au sens strict, dans cette zone, les phanérogames ne poussent qu'aux endroits où l'éclairement le permet. Au sommet, on retrouve la zone éolienne dominée par la glace et la roche et où aucune plante vasculaire ne pousse. Les derniers paliers deviennent le domaine des invertébrés comme les lépidoptères, les araignées, les tardigrades et les nematodes, et des microorganismes tels les bactéries et les protistes.

1.4- Habitats de la cryobiosphère

L'énoncé de Baas Becking « tout est partout » repose en partie sur l'hypothèse que des environnements très similaires existent de par le monde. Cependant, l'importante diversité temporelle et spatiale des climats et des environnements de la cryosphère, exposée dans la section 1.3, produit une hétérogénéité des conditions potentiellement favorables à la divergence d'espèces spécialistes. Une panoplie d'habitats différents, incluant les glaciers, les lacs et les rivières, les sols et l'océan, réside dans les divers environnements froids de la Terre. Ces habitats représentent des candidats en tant que sources d'inoculum du couvert de neige, à l'échelle locale, régionale et globale.

1.4.1- Les écosystèmes glaciaires

L'étude microbiologique récente des glaciers, emblème prédominant de la cryosphère, pointe ces environnements comme de véritables écosystèmes. Mader et al. (2006) estime que les millions de km3 du glacier Midtre Lovénbreen à Svalbard enferment plus de 1025

cellules bactériennes. La structure de ces écosystèmes comprenant des habitats à la surface (supraglaciaire), à l'intérieur (intraglaciaire) et sous le glacier (sous-glaciaire) dépend du régime thermique du glacier. Les régimes thermiques s'étendent des glaciers complètement froids, possédant une masse entièrement sous le point de pression de fusion (pressure melting point), aux glaciers tempérés, entièrement au point de pression de fusion, en