Contrasting Spatial Patterns and Ecological Attributes of Soil Bacterial Taxa across French National Territory

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Submitted on 2 Jun 2020

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Contrasting Spatial Patterns and Ecological Attributes

of Soil Bacterial Taxa across French National Territory

Battle Karimi, Sébastien Terrat, Samuel Dequiedt, Nicolas Saby, Walid

Horrigue, Mélanie Lelievre, Virginie Nowak, Claudy Jolivet, Dominique

Arrouays, Patrick Wincker, et al.

To cite this version:

Battle Karimi, Sébastien Terrat, Samuel Dequiedt, Nicolas Saby, Walid Horrigue, et al.. Contrasting Spatial Patterns and Ecological Attributes of Soil Bacterial Taxa across French National Territory. Congrès de la Société Française d’Ecologie, Oct 2016, Marseille, France. 2016. �hal-01602852�

B.

KARIMI1, S. TERRAT1, S. DEQUIEDT1, N. SABY2, W. HORRIGUE1, M. LELIEVRE3,  V. NOWAK1, C. JOLIVET2, D. ARROUAYS2, P. 

WINCKER4, C. CRUAUD4, A. BISPO5, P.­A. MARON1, N. CHEMIDLIN6, L. RANJARD1

contact: battle.karimi@inra.fr, lionel.ranjard@inra.fr, nicolas.chemidlin@inra.fr 

S c i e n t i f i c   c o n t e x t

1 INRA, UMR1347 Agroécologie, BP 86510, F-21000 Dijon, France; 2 INRA Orléans - US 1106, Unité INFOSOL, CS40001 Ardon, 2163 Avenue de la pomme de pin, 45075 Orléans cedex 2- France; 3 

Agroécologie-Plateforme GenoSol, BP 86510, F-21000 Dijon, France;

4 CEA / Institut de Génomique / Génoscope, 2, Rue Gaston Crémieux, CP5706, 91057 Evry cedex, France; 5 ADEME, Service

Agriculture et Forêt, 20, Avenue du Grésillé BP 90406, 49004 Angers Cedex 01, France;

6 AgroSup Dijon, UMR1347 Agroécologie, BP 86510, F-21000 Dijon, France

Contrasting Spatial Patterns and Ecological Attributes of Soil Bacterial

Taxa across French National Territory

Te

ch

ni

ca

l 

pr

oc

ed

ur

es

 

RMQS = French Soil Quality Monitoring Network

16 km regular grid across the 550 000 km2 territory

2137 monitoring sites

Environment characterization

­ Climatic factors 

­ Spatial location 

­ Land management 

­ Soil physico­chemical properties  

Microbial community characterization

 Pyrosequencing approach targeting 16S 

rRNA genes

GnS­PIPE processing and

taxonomic assignment

Descriptive Statistics

Occurrence

Average relative abundance

Geostatistical approach

Kriging and Mapping

Variance partitioning

Ranking ecological processes 

Identifying environmental filters

D

is

tr

ib

ut

io

n 

of

 m

ic

ro

bi

al

 ta

xa

B a c t e r o i d e t e s A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A l p h a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i d=124.15km R2_=0.20 d =71.04km R2_=0.15 d =257.61km R2_=0.07 d =137.35km R2_=0.08 d =247.17km R2_=0.29 d =206.87km R2_=0.12 d =78.93km R2_=0.07 d =209.53km R2_=0.10 d=89.29km R2_=0.14 d =104.60km R2_=0.13 d =118.75km R2_=0.08 d =43.31km R2_=0.06 B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r i a A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s V e r r u c o m i c r o b i a N i t r o s p i r a e C h l o r o b i A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s . T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r ia T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s C h l a m y d i a e T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 O c c u r e n c e ( % ) A b o n d a n c e r e l a t i v e m o y e n n e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r i a A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s V e r r u c o m i c r o b i a N i t r o s p i r a e C h l o r o b i A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s . T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r ia T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s C h l a m y d i a e T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 O c c u r e n c e ( % ) A b o n d a n c e r e l a t i v e m o y e n n e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r i a A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s V e r r u c o m i c r o b i a N i t r o s p i r a e C h l o r o b i A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s . T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r ia T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s C h l a m y d i a e T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 O c c u r e n c e ( % ) A b o n d a n c e r e l a t i v e m o y e n n e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r i a A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s V e r r u c o m i c r o b i a N i t r o s p i r a e C h l o r o b i A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s . T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r ia T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s C h l a m y d i a e T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 O c c u r e n c e ( % ) A b o n d a n c e r e l a t i v e m o y e n n e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r i a A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s V e r r u c o m i c r o b i a N i t r o s p i r a e C h l o r o b i A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s . T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r ia T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s C h l a m y d i a e T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 1 0 1 5 O c c u r e n c e ( % ) A b o n d a n c e r e l a t i v e m o y e n n e ( % )

M a j o r i t a i r e

A b o n d a n t

M é d i a n

M i n o r i t a i r e

R a r e

0 5 1 0 1 5 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 P r o p o r t i o n o f s a m p l i n g s i t e s ( % ) A v e r a g e r e l a t i v e a b u n d a n c e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r ia A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s N i t r o s p i r a e C h l o r o b i V e r r u c o m i c r o b i a A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r i a T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s C h l a m y d i a e F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e M a j o r t a x a D o m i n a n t t a x a M e d i u m t a x a M i n o r t a x a R a r e t a x a 0 5 1 0 1 5 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 P r o p o r t i o n o f s a m p l i n g s i t e s ( % ) A v e r a g e r e l a t i v e a b u n d a n c e ( % ) B a c t e r o i d e t e s A l p h a p r o t e o b a c t e r ia A c t i n o b a c t e r i a P l a n c t o m y c e t e s F i r m i c u t e s G a m m a p r o t e o b a c t e r i a A c i d o b a c t e r i a B e t a p r o t e o b a c t e r i a D e l t a p r o t e o b a c t e r i a T h a u m a r c h a e o t a C r e n a r c h a e o t a C h l o r o f l e x i G e m m a t i m o n a d e t e s N i t r o s p i r a e C h l o r o b i V e r r u c o m i c r o b i a A r m a t i m o n a d e t e s E l u s i m i c r o b i a F i b r o b a c t e r e s C y a n o b a c t e r i a T M 6 D e i n o c o c c u s T h e r m u s S y n e r g i s t e t e s E p s i l o n p r o t e o b a c t e r i a T e n e r i c u t e s D i c t y o g l o m i N i t r o s p i n a e E u r y a r c h a e o t a T h e r m o d e s u l f o b a c t e r i a S p i r o c h a e t e s T h e r m o t o g a e D e f e r r i b a c t e r e s C h l a m y d i a e F u s o b a c t e r i a L e n t i s p h a e r a e M a j o r t a x a D o m i n a n t t a x a M e d i u m t a x a M i n o r t a x a R a r e t a x a

Major

Dominant

Medium

Minor

Rare

Descriptive Statistics

18 cosmopolitan phyla (in all sampling sites)

15 rare phyla (<50% of sites)

12 phyla represented each more than 3% of 

sequences

_Mapping

4 spatial patterns with different patch size (radius)

-

Fine (~50km) 

-

Medium (~100km)

-

Coarse (~150km)

-

Larger (>200km)

Chloroflexi, Fibrobacteres, 

Cyanobacteria

Bacteroidetes,Alphaproteobacteria, 

Acidobacteria, Deltaproteobacteria, 

Thaumarchaeota, Crenarchaeota

Planctomycetes, Gemmatimonadetes, 

Verrucomicrobia, Armatimonadetes

Actinobacteria, Firmicutes, Chlorobi, 

Gammaproteobacteria, Nitrospirae, 

Betaproteobacteria, Elusimicrobia

Although soil bacteria have a key role in ecosystem services and are the most abundant organisms on Earth, the ecological processes and filters regulating their 

distribution at large scale remain poorly understood. Recent studies have clarified the influence of environmental filters on bacterial community diversity and concluded 

that soil pH, texture and C are the main drivers selecting an higher diversity. However, the filters constraining bacterial populations variations remain unclear. In 

consequence, our ability to understand the ecological attributes of soil bacteria and to predict microbial community response to environmental stress is therefore 

limited. 

Based on the framework of the French Soil Quality Moitoring Network (RMQS, Réseau de Mesure de la Qualité des Sols), the objectives were to:

(i)

Identify the bacterial and archael community composition at the scale of French National Territory

(ii)

Determine the spatial patterns of the main phyla at a large scale

(iii)

Rank the ecological processes and environmental filters most influencing the distribution of these phyla. 

R

an

ki

ng

 e

co

lo

gi

ca

l 

pr

oc

es

se

s 

0 10 20 30 40 50 60 70 E xp la in e d v a ri a n ce ( % ) Interactions Climat Spatial descriptors Land management

Soil physico-chemical characteristics

      

Between 24% et 60% of total variance explained:

#1° Interactions  12.3 %

#2° Soil physico­chemical properties  10.7%

#3° Spatial descriptors  7.3% 

#4° Land management  5.4 %

#5° Climatic factors  0.4 %

Selection  and  dispersal  limitation  are  the 

main  drivers  involved  in  the  bacterial  phyla 

determinism. 

Contribution and effects of environmental filters

Soil physico­chemical properties

pH and texture are the main filters

Land management

3 different responses to the 

anthropization gradient

-

Positive relation 

-

No relation

-

Negative relation

Spatial descriptors

Two scales of geographical filters

Response depend on the phylum

e.g. Betaproteob., Chloroflexi

e.g. Firmicutes, Fibrobacteres

e.g. Alphaproteob., 

      Deltaproteob.