DYNAMIQUE ET EVOLUTION DES COMMUNAUTES PHYTOPLANCTONIQUES

bienvenue au centre de recherche INRA de Thonon les-bains

Notre équipe de recherche se situe dans les murs de la Station INRA d'Hydrobiologie Lacustre de Thonon, localisée au bord du lac Léman, et s'intéresse à la dynamique, à la diversité et à l'évolution des communautés planctoniques lacustres. L'ensemble de ces thématiques entre notamment dans le cadre de l'étude des compartiments biologiques lacustres et de leur fonctionnement en réponse aux changements globaux (naturels et anthropiques). L'unité consiste en une unité mixte de recherche (UMR 74) avec l'Université de Savoie basée à Chambéry intitulée CARRTEL pour: Centre Alpin de Recherche sur les Réseaux Trophiques des Ecosytèmes Limniques. Visitez le site internet de la station pour en savoir plus sur ses activités et n'hésitez pas à nous contacter pour tout renseignement d'ordre historique ou scientifique.

L'ensemble de nos travaux s'intéresse avant tout à la structure et au fonctionnement des communautés microbiennes aquatiques. Au sein de l'INRA, il existe un certain nombre de Départements de Recherche regroupant eux-mêmes de nombreuses activités de recherche. Le Département dont nous dépendons s'appelle Hydrobiologie & Faune Sauvage (en cours de modifications). Ses objectifs sont l'acquisition de connaissances et de savoir-faire, le développement d'outils et de méthodes et la construction d'une capacité d'expertise dans les principaux champs suivants:
  • La gestion et la valorisation d'espèces aquacoles essentiellement les poissons
    • Les recherches mettent en oeuvre les disciplines suivantes: génétique, nutrition, physiologie, développement précoce et technologie des produits et concernent: a) la diversification, la caractérisation et l'amélioration des produits aquacoles, b) le développement d'une aquaculture durable notamment au travers de l'impact de l'aquaculture sur l'environnement, du bien-être et de la domestication, c) les perspectives offertes par l'analyse et la fonctionnalité du génome et les nouvelles biotechnologies
  • Le fonctionnement et la gestion d'écosystèmes aquatiques
    • Les recherches mettent en oeuvre les disciplines suivantes: écologie, éco-éthologie, écotoxicologie, génétique des populations et modélisation et concernent: a) la compréhension du fonctionnement d'écosystèmes aquatiques (lacs, étangs, fleuves, rivières), b) la mesure et la prévision de l'impact des activités humaines sur la qualité des écosystèmes aquatiques, c) la gestion des ressources naturelles aquatiques : poissons de lacs et de rivières, poissons amphihalins (salmonidés, aloses, anguilles), écrevisses, grenouilles
  • Le fonctionnement et la gestion des populations de vertébrés terrestres
    • Les recherches mettent en oeuvre les disciplines suivantes : écologie, éco-éthologie, écologie du paysage, génétique des populations, modélisation et concernent : a) éco-éthologie et fonctionnement de populations animales sauvages (ongulés sauvages, oiseaux, certains rongeurs), b) méta-populations, peuplements et paysage, c) éthologie en conditions naturelles et contrôlées (essentiellement ongulés sauvages).

    Efflorescence à Planktothrix rubescens sur le lac du Bourget
    La littérature concernant les efflorescences à base de cyanobactéries est bien documentée, notamment en raison de la grande variété de toxines (hépatotoxines, neurotoxines, cytotoxines) que ces organismes produisent et de leurs possibles conséquences sur l'eau de boisson, les activités de loisir et les pêcheries. Il apparaît aujourd'hui comme une évidence que les facteurs qui mènent à un tel bloom phytoplanctonique et à sa persistance sont multiples (accroissement des nutritifs, faible rapport N/P, disponibilité en éléments traces, conditions de température favorables, stabilité de la colonne d'eau, éclairement important, changement ou bouleversement dans les relations inter-spécifiques de type proie-prédateur). Il apparaît aussi que le rôle réel des facteurs environnementaux sur la croissance, la mise en place du bloom et la production de toxines à l'échelle cellulaire et des populations cyanobactériennes est encore peu connu. Pour preuve, l'O.M.S. (Organisation Mondiale pour la Santé) a édité en 1999 un ouvrage où figurent des recommandations pour les quantités de toxines qui peuvent être tolérées dans les eaux de consommation et aussi des mesures pour le traitement des eaux. En revanche, très peu d'informations concernent les facteurs susceptibles de favoriser le développement des blooms, traduisant clairement les lacunes existant dans ce domaine. C'est sur cette thématique de recherche que j'ai été recruté au sein de la Station Hydrobiologique de Thonon-les-Bains, conscient que le déterminisme de ces blooms est multifactoriel et que la mise en évidence de ces facteurs constitue des enjeux scientifique, social et économique importants. Les questions fondamentales qui se posent peuvent être formulées de la manière suivante:
    1. Quels sont les facteurs et processus qui favorisent l'apparition des efflorescences à cyanobactéries toxiques dans les lacs de montagne ?
    2. Quels sont les facteurs qui assurent le maintien du bloom? Sont-ils les mêmes que les précédents ?
    3. Quels sont les moyens pour prévenir l'apparition de ces blooms ?
    4. Quel control l'environnement opère t-il sur la production de toxines cyanobactériennes ?
    5. Quel est l'impact de la prédation et du parasitisme sur la régulation des cyanobactéries efflorescentes ?
    Dans le développement d'un tel projet, des études fines au laboratoire complètent les observations et mesures qui sont faites sur le terrain. On peut donc distinguer deux parties.La mise en cultures, en petit puis en grand volume, des organismes responsables des blooms a été réalisée. Une algothèque est disponible à la Station de Thonon. Le maintien de cultures en conditions contrôlées, permet alors de tester un certain nombre de paramètres isolément (lumière, enrichissement en nutritifs inorganiques et organiques, température) mais également des processus (broutage, actions bactérienne et virale) sur la croissance des cellules, le développement du bloom et son maintien. L'étape suivante est de se placer à une échelle multifactoriel et de s'intéresser aux relations existant entre plusieurs facteurs abiotiques et la croissance des espèces phytoplanctoniques puis aux relations interspécifiques. Les phénomènes de compétition pour les nutriments ou pour la lumière devront également être pris en compte et il faut tenter de déterminer comment la prédation ou certains facteurs abiotiques peuvent modifier les équilibres existants et favoriser le développement du bloom. Notre modèle biologique est Planktothrix rubescens, cyanobactérie toxique filamenteuse qui prolifère depuis quelques années sur le lac du Bourget, le plus grand lac naturel français. Au laboratoire, nous travaillons ou allons travailler sur (i) l'effet de la concentration en nutriments sur la croissance et la production de toxines intra- et extracellulaires, (ii) le rôle quantitatif et qualitatif de la lumière sur la croissance et la production de toxines intra- et extracellulaires, (iii) l'impact de la prédation zooplanctonique, (iv) les compétitions entre espèces vis à vis de facteurs clefs (nutriments, lumière, turbulence) Deux types d'approche sont effectués: un suivi in situ des communautés et des paramètres environnementaux et des expériences en mésocosmes.Dans le premier cas, il s'agit de réaliser un suivi temporel régulier (tous les 15 jours) d'un lac comme celui du Bourget où ce type d'efflorescence (typiquement à Planktothrix rubescens) existe. Nous effectuons une batterie de mesures des facteurs environnementaux et faisons des prélèvements pour connaître la structure des communautés. Avant et au début du bloom, l'effort d'échantillonnage est accru de façon à appréhender la variabilité à petite échelle qui doit être particulièrement importante. Dans un second temps, la démarche proposée est un suivi comparé de différents lacs qui connaissent (Lac du Bourget) ou au contraire ne connaissent pas ou occasionnellement (Lac Léman) ce type de manifestations. Nous espérons ainsi en ressortir les facteurs clefs dans l'apparition et/ou le maintien des blooms. A ce jour, nous sommes en mesure d'établir pourquoi cette cyanobactérie prolifère régulièrement sur le Bourget et pas sur le Léman, à savoir un mélange de l'influence du "global change" en plus du contexte local. Ce travail est en cours de publication. La deuxième approche, en complément de la première, sera d'utiliser des systèmes clos de type mésocosmes. Bien que n'étant pas des représentations parfaites de l'écosystème aquatique (en raison notamment de leur inertie écologique et de résilience), les mésocosmes sont des outils très utiles pour appréhender de nombreux phénomènes comme les réponses des organismes aux enrichissements en éléments nutritifs, les relations entre espèces (compétition, prédation, action virale) sur quelques jours à plusieurs semaines. En se plaçant avant et au début du bloom, en utilisant une stratégie d'échantillonnage adéquate des communautés et un grand nombre de mesures des paramètres environnementaux et d'activité des populations, les mésocosmes devraient nous aider à mieux comprendre le déterminisme des blooms. Leur mise en place fait toujours le lieu de discussions d'ordre scientifique, économique et politique. Ils sont nombreux en raison de l'aspect multifactoriel du déterminisme des blooms. Nous disposons d'instruments de mesure des paramètres environnementaux " classiques " (lumière, température de l'eau, salinité, pH, profondeur, oxygène dissous). Les paramètres météorologiques (degré d'ensoleillement, couverture nuageuse, température de l'air, pression atmosphérique, force et direction du vent) sont contrôlés facilement ou obtenus à partir de la station météo la plus proche de la zone d'étude. La mesure fine des nutriments inorganiques (N-NO3, N-NO2, P-PO4) et organiques (carbone dissous et particulaire) est cruciale dans un tel projet et est assurée par le service de chimie au sein même de la station. Comme il a été récemment observé que les éléments traces et/ou métalliques sont susceptibles d'intervenir dans les processus de mise en place des blooms, il sera probablement important de s'y intéresser. Pour la biologie, le dénombrement des populations phytoplanctoniques et bactériennes (après marquage de l'ADN) est fait au moyen de la microscopie classique et à épifluorescence. Ce travail est particulièrement fastidieux. Nous venons d'acqiuérir un cytométrie en flux, ce qui va rapidement faciliter le travail de par ses multiples avantages (grande précision, rapide, discrimination des populations, détection des particules virales, etc). La cytométrie en flux ayant ses limites, elle peut être efficacement complétée par l'analyse pigmentaire des populations (par chromatographie liquide haute performance par exemple) qui permet de discriminer des classes voire des taxons. Finalement, la biologie moléculaire s'avère très utile notamment par la confection de sondes oligonucléotidiques fluorescences qui permettront de suivre la dynamique et la distribution de populations cibles soit par microscopie à épifluorescence soit par cytométrie en flux. Nous travaillons aussi en ce sens. En résumé, notre parc instrumental est le suivant : Biologie moléculaire :- 2 appareils à PCR, 3 générateurs/cuves à électrophorèse, speed-vac + petit matériel bio-mol ; - Système de DGGE ; - Séquenceur automatique ABI 373 ; - Congélateur - 80 °C & conservateur à azote liquide ; - Système numérique pour saisie de gels + soft d'analyse.Biochimie : - Lecteur de microplaques ; - Fluorimètre (Turner) ; - Détecteur UV à barrette de diodes pour HPLC (Waters) ; - Détecteur de fluorescence pour HPLC (Waters). Cytomètre en flux / trieur de cellules FACSCALIBUR. Compteur à scintillation liquide (Packard). Sonde spectrofluorimétrique immergeable (BBE Moldaenke). 2 systèmes de mesure de lumière LI-COR. Hottes à flux laminaire. Microscope inversé + caméra + informatique. Caméra numérique refroidie + soft pour microscope à epifluorescence (Leica).L'approche systémique nécessitant la mesure d'un grand nombre de variables, les collaborations de travail sont indispensables afin de mener à bien un tel projet. La station lacustre de Thonon offre déjà sur place un grand nombre de compétences comme celles des mesures chimiques ou celles de l'étude des réseaux trophiques supérieurs (du zooplancton aux poissons) en plus des propres compétences de l'équipe d'accueil (génétique des populations, écophysiologie, taxonomie). Les études en mésocosmes seront bientôt le lieu d'un ou plusieurs ateliers de travail faisant intervenir d'autres compétences, des partenaires (ceux du réseau regroupant les équipes travaillant sur les cyanobactéries par exemple) afin de partager les taches et d'opérer d'autres mesures (par exemple l'activité enzymatique des cellules, la production bactérienne, ...).En résumé pour la thématique cyanobactérieNous développons des travaux sur la taxonomie de ces organismes (approches moléculaires) et sur le déterminisme des proliférations de ces cyanobactéries en eau douce. Ces études reposent sur des suivis sur le terrain (le lac du Bourget est l'un de nos modèles d'étude "préféré"; nous suivons un certain nombre de paramètres physico-chimiques et biologiques) et sur des approches en laboratoire (ex: Influence de la qualité et de la quantité de lumière sur la croissance de certaines espèces de cyanobactéries). Nous nous intéressons aussi aux toxines produites par les cyanobactéries, à l'influence de l'environnement sur la production de ces toxines, à leur transfert dans les chaînes trophiques et à leur accumulation chez le poisson. Enfin, en collaboration avec l'IRD (nous accueillons un chercheur au sein de notre équipe), nous travaillons aussi sur le développement des cyanobactéries dans des plans d'eau peu profonds d'Afrique et sur la diversité génétique et l'écologie d'une espèce tropicale qui est en train d'envahir les milieux tempérés.

    Les autres domaines de recherche de notre équipe concernent:

  • la quantification et le rôle fonctionnel des virus de bactéries;
  • la dynamique et la diversité des bactéries hétérotrophes;
  • la dynamique et la diversité du pico- et nanophytoplancton;
  • l'écotoxicologie algale La thématique concernant les communautés microbiennes s'intéresse à leur dynamique et à leur diversité dans les grands lacs alpins. Ces lacs ont connu des pollutions plus ou moins importantes par les nutriments (azote et phosphore) et sont en voie de restauration. Dans le cadre de cette restauration de la qualité de leurs eaux, nous nous intéressons à l'évolution de leurs communautés microbiennes en terme de biomasse et de diversité et au fonctionnement de ces communautés. Les organismes étudiés concernent aussi bien les virus et les bactéries hétérotrophes, que le picoplancton autotrophe et hétérotrophe, les ciliés, les flagellés... Les approches reposent sur l'utilisation de la cytométrie en flux et sur des approches moléculaires (DGGE, FISH, séquençage...). La dernière thématique s'intéresse aux impacts des xénobiotiques (herbicides principalement) sur la structure et le fonctionnement des communautés microbiennes aquatiques. Nos modèles d'étude concernaient plutôt les microalgues périphytiques mais nous intégrons désormais les bactéries (collab avec le CEMAGREF Lyon). Les approches reposent sur des suivis de terrain (modèles rivière principalement) et des approches en laboratoire (cultures en batch, microcosmes et mésocosmes).

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