La santé des sols: Présentation LEM du 30 avril et du 1er mai 2014

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Yvette Bergeron
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1 La santé des sols: Opportunités et applications des nouvelles technologies de biologie moléculaire et de séquençage Laboratoire d écologie microbienne (IRDA) Présentation LEM du 30 avril et du 1er mai 2014

de séquençage Laboratoire d écologie microbienne

2 Plan de la présentation Le Laboratoire d écologie microbienne (LEM) Les composantes de la santé des sols Méthodes d analyse de la santé des sols ) Les nouvelles technologies de séquençage Applications et opportunitées

Méthodes d analyse de la santé des sols ) Les

3 Le LEM Rotation, Régie SCV Moyens de luttes Inoculants microbiens Diversité et fonctions biologiques des sols ) Phytoprotection Bioprocédés Service Biopile Biofiltration Détection Séquençage Bioinformatique

4 Le LEM Diversification des collaborations de R&D en écologie microbienne: Développer des pratiques et des régies des cultures préservant la qualité des sols. Impact des rotations et des régies de production des pommes de terre, des carottes. Impact des systèmes de couverture végétale (SCV) et des engrais verts. Caractérisation biologique des sols pour accroître la productivité des pommes de terre et pour conserver la santé des sols. Développer des pratiques pour lutter contre ) des microorganismes pathogènes. Alternatives écologiques à la biofumigation des sols en production de fraises. Emploi d inocula pour la plantation dans une framboisière en dépérissement. Mettre au point des techniques pour réduire les émissions dans l environnement. Développement d un biofiltreur de l air émis des porcheries. Proposer des approches intégrées de valorisation des biomasses. Dévelopement d une pile bioélectrochimique. Valorisation agro-énergétique des résidus organiques putrescibles.

Caractérisation biologique des sols pour accroître la productivité des pommes de terre et pour conserver la santé des sols.

5 Le LEM Mise au point de techniques d analyses microbiennes: Analyses microbiologiques classiques (milieux spécifiques, microscopie) Analyses biochimiques (EcoPlate BIOLOG, tests enzymatiques) Analyses sérologiques (ELISA et immunocpature) Analyses moléculaires (PCR, PCR-DGGE, PCR-SSCP, qpcr) Analyses génétiques ) (Pyroséquençage 454, Illumia MiSeq, RNAseq sur ion Torrent) Services d analyses microbiologiques Site web: Personnes à contacter et services d analyses microbiologiques Projets complétés et en cours Articles et conférences

Analyses génétiques ) (Pyroséquençage 454, Illumia MiSeq, RNAseq sur ion Torrent) Services d analyses microbiologiques Site web: http://www.irda.qc.

6 La santé des sols? Physique Chimie Biologie ) Capacité du sol à: promouvoir le cycle vital des plantes, des animaux et des microorganismes, soutenir la productivité végétale, animale et microbienne, maintenir les cycles des éléments et des structures d un environnement durable, au sein d un écosystème dynamique. Tiré de: Rodale Institute et Cornell Soil Health Assessment Training Manual 2009

et des microorganismes, soutenir la productivité végétale, animale et microbienne, maintenir les

7 Caractéristiques d un sol en santé Nécessite des analyses physiques, chimiques et biologiques 1. Bonne structure physique du sol 2. Bon profil de sol 3. Éléments nutritifs présent mais pas en excès 4. Nombre faible de ravageurs et de microorganismes pathogènes 5. Bon drainage du sol 6. Nombre élevé des populations d organismes bénéfiques 7. Faible compétition des mauvaises herbes 8. Absence ou très faible concentration d éléments toxiques 9. Capacité à résister à l érosion, la sécheresse, la compaction 10. Capacité de résilience et de promouvoir l agrégation et la séquestration des éléments vitaux Tiré de: Cornell Soil Health Assessment Training Manual 2009 )

Nombre élevé des populations d organismes bénéfiques 7. Faible compétition des mauvaises herbes 8. Absence ou très faible concentration d éléments toxiques 9.

8 Éléments structuraux Éléments chimiques Microorganismes Mésofaunes Végétaux Macrofaune ) Tiré de: Cornell soil health assessment training manual 2009

9 Des organismes de toutes les tailles Les organismes vivant du sol de quelques individus à des milliards par gramme de sol sont généralement subdivisés en plusieurs groupes : la mégafaune comme les taupes, les crapauds et les serpents la macrofaune, visible à l œil nu (vers de terre, fourmis, larves d'insectes) la mésofaune, visible à la loupe (acariens, collemboles) la microfaune, et les microorganismes, visibles seulement au microscope (nématodes, protozoaires, algues, champignons, bactéries) ) Programme Gessol, Ademe 2010

l œil nu (vers de terre, fourmis, larves d'insectes) la mésofaune, visible à la loupe (acariens, collemboles) la microfaune, et les

10 Diversité des communautés biologiques ) Programme Gessol, Ademe 2010

11 Les différents outils Morphologiques Biochimiques ) Enzymatiques Moléculaires Indicateurs biologiques

12 Indicateurs morphologiques et de quantification (AS) Microscopie et milieux nutritif spécifiques ou non. Détermination du C et du N de la biomasse. Extraction des matières organiques du sol (qualification). ) Extraction des matières humiques et fulviques du sol.

Détermination du C et du N de la biomasse.

13 Indicateurs biochimiques et enzymatiques (AF) Tests enzymatiques C, N, P, S et autres (tube, bande, gel, EcoPlate). Analyse lipides méthyl-esters ) (FAME) ou ac. gras phospholipides (PLFA) Détermination CO2 - respiration microbienne. Pouvoir de minéralisation N et C.

Analyse lipides méthyl-esters ) (FAME) ou ac.

14 Indicateurs moléculaires (AS et AF): Analyses PCR, PCR-DGGE, PCR-SSCP. Amplification quantitative qpcr. Analyses métagénomiques, pyroséquençage 454, RNAseq )

15 Méthodes moléculaires Sol ADN/ARN Analyse partielle des populations (PCR) Clonage Analyses ) électrophorétiques (DGGE, TGGE, ARDRA, T-RFLP, RISA, RAPD) Analyse complète des populations Hybridation Gradient de densité Séquençage Structure génétique Ranjard 2000 Diversité génétique Taxonomie et fonctions

RAPD) Analyse complète des populations Hybridation Gradient de densité

16 Caractérisation des populations d organismes et de microorganismes pour répondre à la question «Qui est là et que font-ils?» Analyses structurales (AS) Quantification des séquences ribosomales et des gênes fonctionnels ADN Protéines ARN Analyses fonctionnelles (AF) Mesure l activité de classes spécifiques d enzymes Quantification des séquences ribosomales et des gênes fonctionnels transcrits Tiré de: Myrold 2014 Tiré de: Medini et als, 2008

» Analyses structurales (AS) Quantification des séquences ribosomales et des gênes fonctionnels ADN Protéines

17 Les outils de NTS Séquençage complet des génomes (Shotgun) RNA seq : ARNm et ARNr Séquençage d amplicon: 16s ADNr; ITS etc )

18 Principe des NTS Pyroséquençage (Roche) MiSeq et HiSeq (Illumina) ) Ion Torrent (Life Technologies)

19 Étapes Construction de librairies PCR Shotgun ARNm Séquençage ULaval McGill ) Bioinformatique Assemblage OTUs Présentation des résultats PCoA, Courbes de rarefactions

20 454 Ion torrent Illumina

21 Bioinformatique г Pour la diversité bactérienne à partir du 16sADNr sur plateforme Qiime

22 Applications et opportunités Ensemble des ADN Zone ciblée Environnement (sol; biofilm; air ) в Ensemble des ARN RT (ADNc) A ADN total B MétatranscriptomiqueC Assemblage Normalisation Phylogénie Analyse et prédiction des gènes Analyse et prédiction des gènes Caffrey 2011 Comparaisons des environnements

23 Etudes scientifiques sur les sols avec NTS Nombreuses études sur les sols forestiers Pyroséquençage très populaires entre 2007 et 2011 (longueur de fragment) Fort développement de la technologie d Illumina (MiSeq et HiSeq) Myrold, Zeglin & Jansson 2013

24 Exemple 1 Projet Projet: Alternatives à la fumigation en production de fraises Partenaires: François Demers 2 fraisières Parcelles fumigées et non-fumigées Parcelles Témoin et avec ajout de Compost-FSLP (+strep) Diversité bactérienne (pluralité bactérienne- Comparaison) 屠 ͻ

25 Pyroséquençage 454 (Diversité alpha) Pluralité Élevée Non-Fumigé Fumigé 뻐б Pluralité faible Courbes de raréfactions présentant la pluralité bactérienne de sols de fraisiers 8 semaines après plantation en parcelles fumigées et non fumigées pour des parcelles témoins et amendées en compost à la plantation. Projet LEM-IRDA

26 Exemple 2 Projet Projet: Étude de l incidence sur les régies de culture sur la productivité des sols et les maladies de la pomme de terre Partenaires: Agrinova (Samuel Morissette) 3 sites en régie conventionnelle 4 rotations Analyse de la diversité bactérienne des sols et de la rhizosphère в

27 Pyroséquençage 454 (PCoA) R PCoAprésentant la diversité bactérienne des sols et de la rhizosphère de parcelles de pomme de terre ayant quatre sortes de précédent cultural. Projet LEM-IRDA

28 Exemple 3 Projet Projet: Pile Bio-électrochimique au lisier de porc (BioVeeV MD ) Valorisation de la fraction liquide de lisier de porc Identification de populations bactériennes électrophiles du biofilm anodique 屠 ͻ

29 Proportions relatives des populations bactériennes 屠 ͻ Proportions relatives des populations bactériennes majeures sur le support bactérien d une pile bio électrochimique fonctionnant au lisier de porc. Projet LEM-IRDA

30 Exemple 4 Projet 屠 ͻ

31 RNA Seq (Illumina; Ion Torrent) Analyse structurale Analyse fonctionnelle Yergeau 2014 Plus les cases sont foncées plus les ARN sont abondants

32 Exemple-Microbiome 屠 ͻ

33 Exemple-Microbiome

35 Conclusion Sélectionner des indicateurs biologiques liés aux indicateurs physico-chimiques qui permettent de déterminer l état de santé du sol et sa dynamique agroenvironnementale. Au laboratoire Sur le terrain Étatinitial du sol Caract. bio. Les intrants Impacts Gérer Prédire

36 Merci! irda.qc.ca

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