Inventaire et cartographie des communautés microbiennes des sols de la zone OPE ANDRA

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Bernadette Savard
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1 Inventaire et cartographie des communautés microbiennes des sols de la zone OPE ANDRA - Samuel Dequiedt, Nicolas Chemidlin Prevost-Bourré, Lionel Ranjard - INRA de Dijon UMR Agroécologie

2 La diversité microbienne dans les sols Le sol = le réservoir de diversité microbienne de notre planète = un patrimoine naturel Les microorganismes du sol sont abondants et avec une forte diversité!! Bactéries Champignons 1 g sol 1 million à 1 milliard d individus Mille à 1 million d espèces kg C 1 hectare Mille à 1 million d individus Mille à 100 milles espèces kg C 5 6 UGB

(humus) C-H-O-N-S microorganismes NH 4 + NO 3 - Structuration du sol Minéralisation matière organique, recyclage carbone, nutriments

3 La diversité microbienne dans les sols Capacités d adaptation énormes Petite taille Temps de génération court Plasticité du génome Réponse rapide aux modifications environnementales Implications dans de nombreuses fonctions = les ingénieurs chimiques du sol Matière organique (humus) C-H-O-N-S microorganismes NH 4 + NO 3 - Structuration du sol Minéralisation matière organique, recyclage carbone, nutriments Dépollution du sol Lutte contre pathogènes BioIndicateurs pertinents d évaluation de la qualité biologique des sols et de l impact des pratiques

Metaproteome Metabolome Abondance Diversité génétique,

4 Sol L écologie moléculaire microbienne ADN ARN Protéine Substrat Produit 1 Metagenome Metatranscriptome Metaproteome Metabolome Abondance Diversité génétique, taxonomique et fonctionnelle Fonctionnalité Activité Services

5 Objectifs du projet dans le cadre de l OPE-ANDRA D un point de vue technique : - Établir une base de données de l abondance et structure génétique microbienne des sols de l OPE D un point de vue opérationnel : - Etablir une banque de conservation à long terme d échantillons de sol de référence - Elaborer des cartes de distribution de l abondance et diversité - Quantifier l impact des activités anthropiques D un point de vue fondamental : - Évaluer l abondance et la structure génétique des communautés microbiennes - Définir la distribution spatiale des communautés microbiennes - Hiérarchiser les filtres environnementaux

une maille carrée de 1,5 km de côté (117 points campagnes 2009 à 2012) - Sites supplémentaires (13

6 Stratégie d échantillonnage Réseau de surveillance des sols de l OPE = 146 sites mis en place par l Unité InfoSol INRA d Orléans 25 prélèvements -> échantillon composite - Grille systématique selon une maille carrée de 1,5 km de côté (117 points campagnes 2009 à 2012) - Sites supplémentaires (13 campagne 2013) - Sites aléatoires (16 campagne 2013) Conservatoire des Ressources Génétiques Microbiennes

7 Caractéristiques physico-chimiques des sols de l OPE Variabilité importante des types de sol Sols principalement à textures fines riches en matières organiques

8 Stratégie technique Sol Métagénome microbien Quantité ADN sol qpcr 16S/18S ADNr Génotypage - ARISA Biomasse Moléculaire Microbienne Densité bactéries Densité champignons Rapport Champ./Bactéries Structure Génétique des communautés microbiennes Abondance microbienne

9 Effec f Résultats : Biomasse Moléculaire Microbienne éch. grille ( ) éch. supplémentaires (2013) éch. aléatoires (2013) Biomasse Moléculaire Microbienne (rendement d'extrac on d'adn - µg d'adn/g de sol) Amélioration de la représentativité avec les échantillons de la campagne 2013

10 Nombre de sols RMQS Résultats : Biomasse Moléculaire Microbienne Nombre de sols OPE ANDRA Biomasse Moléculaire Microbienne sols RMQS sols OPE ANDRA OPE ANDRA Biomasse Moléculaires Microbienne (µg d'adn/g de sol) Dans la gamme de variation nationale Valeurs plus hautes en moyenne

11 Résultats : Biomasse Moléculaire Microbienne Biomasse Moléculaire Microbienne OPE ANDRA Répartition spatiale structurée (peu robuste statistiquement)

12 Résultats : Biomasse Moléculaire Microbienne Cultures Forêt Prairies b a,b 3 sites b 76 sites a 45 sites 22 sites Influence de la texture du sol, du ph et du taux de matière organique Biomasse microbienne: Prairies > Forêt > Culture (idem national (cf RMQS))

Nombre de site de l'ope ANDRA 7,1 7,5 7,9 8,3 8,7 9,1 Résultats : Densités de Bactéries et Champignons 9,5 9,9 10,3 10,7 11,1 0,25 1,25 2,25 3,25 4,25 5,25 6,25 7,25 8,25 9,25 10,25 11,25 12,25 13,25

13 Nombre de site de l'ope ANDRA 7,1 7,5 7,9 8,3 8,7 9,1 Résultats : Densités de Bactéries et Champignons 9,5 9,9 10,3 10,7 11,1 0,25 1,25 2,25 3,25 4,25 5,25 6,25 7,25 8,25 9,25 10,25 11,25 12,25 13,25 14,25 15,25 16,25 17,25 18, Ech. Grille ( ) Ech. Aléatoires (2013) Ech. Supplémentaires (2013) Bactéries Champignons Ra o 0 0 Densités (log10 de copies d'adnr/g de sol) Ra on densité Champignons / densité Bactéries (%) Densités de bactéries et de champignons dans la gamme de ce qui est observé à l échelle nationale Ratio équilibré (1 5%) dans la majorité des sites

14 Résultats : Densités de Bactéries et Champignons Bactéries Champignons Ratio Distribution spatiale propre des bactéries et champignons (peu robuste statistiquement)

15 Résultats : Densités de Bactéries et Champignons Bactéries b a a Cultures Forêt Prairies a,b Non significa f Ratio Champignons Non significa f Bactéries : argiles, ph et C/N Champignons : sables Ratio : C/N Bactéries : Prairies > Cultures > Forêt Champignons : non significatif Ratio : Forêt > Cultures = Prairies (non significatif) -> typicité des forêts de l OPE

16 Résultats : Structure Génétiques des Communautés Technique : 1659 pb 1120 pb 698 pb 200 pb Sol (Infosol Orléans) Bactéries ADN Génotypage (B/F-ARISA) = composition de la communauté Champignons Bonne complémentarité des campagnes de prélèvement Bactéries : dans la gamme nationale, bonne variabilité

17 Résultats : Structure Génétiques des Communautés Bactéries Champignons Attributs écologiques propres des bactéries et champignons Patchs de 3 à 6km (280km à l échelle de la France) -> existence de facteurs proximaux qui structurent les communautés

18 Résultats : Structure Génétiques des Communautés Bactéries Champignons Bactéries structurées par ph, textures fines, C/N Champignons structurés par C/N, ph, matières organiques

19 Résultats : Structure Génétiques des Communautés Bactéries Champignons Gradient Forêts Prairies - Cultures Cultures Prairies Forêts

Conclusions et Perspectives Génotypage = structure génétique Constitution de la banque de sols - Point de référence pour initier le suivi dynamique des indicateurs microbiens - Complémentarité des

et les avancées technologiques Inventaires taxonomiques et fonctionnels Séquençage haut débit Indices de diversité «Hier» Aujourd hui Métagénome microbien δ-proteobacteria, 2% β-proteobacteria, 5% α-

20 Conclusions et Perspectives Génotypage = structure génétique Constitution de la banque de sols - Point de référence pour initier le suivi dynamique des indicateurs microbiens - Complémentarité des échantillons (grille, aléatoires, supplémentaires) -> bonne représentativité du dispositif - Conservation des ressources génétiques à long terme permettant de suivre l évolution des questionnements et les avancées technologiques Inventaires taxonomiques et fonctionnels Séquençage haut débit Indices de diversité «Hier» Aujourd hui Métagénome microbien δ-proteobacteria, 2% β-proteobacteria, 5% α- proteobacteria, 9% Planctomycetes, 7% Nitrospira, 2% Gemma monadete s, 6% γ-proteobacteria, 2% Verrucomicrobia, 8% Firmicutes, 11% phylums minoritaires, 2% Chloroflexi, 0% Acidobacteria, 42% Ac nobacteria, 3% Bacteroidetes, 2% Etat écologique Potentialités fonctionnelles

problématiques de changement d échelle µ-habitat Parcelle (ORE, PIC, ADEME, ) Paysage (Zone Atelier Fenay, OPE ANDRA,

21 Conclusions et Perspectives Intérêt d un tel réseau de surveillance à cette échelle «régionale» - Complémentarité avec le réseau national (RMQS) - Structures spatiales et filtres environnementaux propres - Intégration dans des problématiques de changement d échelle µ-habitat Parcelle (ORE, PIC, ADEME, ) Paysage (Zone Atelier Fenay, OPE ANDRA, IGCS Massif Central, ) Territoire national (RMQS) - Aborder des notions de fonctionnement (turnover MO cycle C) Continent (LTO Ecofinders)

Conclusions et Perspectives Initier le diagnostic de la qualité des sols et évaluer les pratiques Biomasse moléculaire microbienne Elaboration des Référentiels : Modèles prédictifs de l abondance et

Valeur de référence pour un type pédoclimatique Niveau Moyen Selon chaque pédo-climat Niveau Haut Fiche de diagnostic de l état microbiologique (CASDAR AgrInnov) Nécessité d un référentiel adapté au

22 Conclusions et Perspectives Initier le diagnostic de la qualité des sols et évaluer les pratiques Biomasse moléculaire microbienne Elaboration des Référentiels : Modèles prédictifs de l abondance et de la diversité Modèle prédictif : -> Diagnostic de l état biologique : Assurance écologique, durabilité écosystème, évaluation des pratiques Nombre de taxons Inventaires de diversité Niveau Bas Valeur de référence pour un type pédoclimatique Niveau Moyen Selon chaque pédo-climat Niveau Haut Fiche de diagnostic de l état microbiologique (CASDAR AgrInnov) Nécessité d un référentiel adapté au contexte local en vue du suivi et de l étude d impact (ex : initiative Chambre d Agriculture de Saône-et-Loire) Obtenir les données de diversité taxonomique bactéries et champignons dans les sols de l OPE Elaborer les modèles prédictifs spécifiques de l OPE

23 MERCI DE VOTRE ATTENTION

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