Paysages chimiques des sols forestiers : exploration spatiale et temporelle par métabolomique non ciblée dans un contexte de changement global // Chemical landscapes of forest soils: spatial and temporal exploration through untargeted metabolomics in a gl

Les avancées dans le domaine de la chimie analytique et de la métabolomique des sols offrent de nouvelles perspectives pour l'étude de leur composition dans le cadre de processus dynamiques. Ces analyses permettent ainsi de décrire les « paysages chimiques du sol » et leur évolution. Dans le contexte spécifique de l'environnement forestier, l'hétérogénéité spatiale est principalement liée à la dominance des arbres et à l'identité des espèces ligneuses, qui influencent à la fois l'activité et la composition des communautés microbiennes du sol. La nature et la dynamique de ces interactions complexes entre les plantes et les communautés microbiennes via le sol suscitent ainsi un intérêt croissant pour l'étude de la structure, des fonctions et des réponses des écosystèmes à des facteurs biotiques ou abiotiques. Ces interactions sont notamment médiées par la production de métabolites par chacune des communautés. La métabolomique non ciblée, en explorant de façon holistique des profils métaboliques dans des matrices biologiques, est donc un outil puissant pour mieux comprendre le fonctionnement des écosystèmes forestiers, en considérant le métabolome comme un nouveau trait fonctionnel.
Dans cette perspective, une étude préliminaire a été réalisée au LBBM, pour valider un protocole d'étude du métabolome du sol forestier afin d'en examiner les variations aux échelles spatiales et temporelles. Trente-trois échantillons de sol ont été prélevés dans la réserve Naturelle Nationale de la forêt de la Massane (RNNM), une forêt ancienne dont la hêtraie est classée au patrimoine mondial de l'UNESCO, située sur le piémont oriental des Pyrénées françaises. Les sites d'étude incluaient trois types de peuplements (hêtres, hêtres/chênes et peuplements forestiers mixtes), également différenciés en fonction des faciès forestiers. Une approche de métabolomique non ciblée, utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem à haute résolution (UHPLC-HRMS/MS) et les réseaux moléculaires, a été employée pour cartographier la diversité chimique des sites échantillonnés. Cette approche a révélé la présence d'un métabolome de base hautement diversifié, et mis en évidence une certaine hétérogénéité, suggérant la présence de structures chimiques uniques associées à certains sites d'échantillonnage, notamment les peuplements matures de hêtres. Ces résultats appellent à une investigation approfondie de ces composés spécifiques, en lien avec les facteurs environnementaux.
Cette première phase a permis la constitution d'une collection d'échantillons de sol et d'extraits associés, entre octobre 2022 et novembre 2024, couvrant ainsi une période de sécheresse très marquée dans le département des Pyrénées-Orientales. La réalisation d'une nouvelle collecte d'échantillons dans le cadre du projet doctoral permettra d'établir une comparaison entre l'état de la forêt au démarrage de la sécheresse et son état actuel après la reprise des pluies. La mise en place d'un échantillonnage régulier au cours du travail doctoral interrogera la réponse et la résilience de cet écosystème modèle aux stress climatiques. Ces données s'appuieront sur le suivi à long terme des facteurs climatiques dans la Réserve, qui enregistre depuis 1960 des mesures de température et pluviométrie. En parallèle, l'évaluation des Indices de Biodiversité Potentielle (IBP) permettra de relier les données chimiques obtenues à des données environnementales fines de caractérisation de la biodiversité (espèces végétales, maturité et ancienneté, structuration des peuplements), mais prédisant également la biodiversité associée via les habitats (notamment dendromicrohabitats) fournis, intégrant ainsi une dimension dynamique dans ces observations. Enfin, les données obtenues dans le cadre du projet UNESCO FORe sur l'ADN environnemental des sols de la Massane permettra une première investigation du lien entre paysage chimique et communautés microbiennes.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Advances in analytical chemistry and soil metabolomics offer new perspectives for studying soil composition within dynamic processes. These analyses enable the characterization of 'soil chemical landscapes' and their evolution. In the specific context of forest environments, spatial heterogeneity is primarily linked to tree dominance and the identity of woody species, which influence both the activity and composition of soil microbial communities. The nature and dynamics of these complex interactions between plants and microbial communities through the soil have prompted growing interest in studying ecosystem structure, functions, and responses to biotic or abiotic factors. These interactions are notably mediated by the production of metabolites by each community. Untargeted metabolomics, which allows the holistic exploration of metabolic profiles in biological matrices, is therefore a powerful tool for better understanding forest ecosystem functioning, considering the metabolome as a new functional trait.
In this perspective, a preliminary study was conducted at LBBM to validate a protocol for studying the forest soil metabolome, in order to examine its spatial and temporal variations. Thirty-three soil samples were collected from the Massane National Nature Reserve (RNNM), an ancient forest whose beech stand is classified as a UNESCO World Heritage site, located on on the edge of the Eastern Pyrenees in southern France. The study sites included three types of forest stands (beech, beech/oak, and mixed forest stands), also differentiated based on forest facies. An untargeted metabolomics approach, using liquid chromatography coupled with high-resolution tandem mass spectrometry (UHPLC-HRMS/MS) and molecular networking, was employed to map the chemical diversity of the sampled sites. This approach revealed the presence of a highly diverse core metabolome and highlighted a certain level of heterogeneity, suggesting the presence of unique chemical structures associated with specific sampling sites, particularly mature beech stands. These results call for an in-depth investigation of these specific compounds in relation to environmental factors.
This first step enabled the establishment of a soil sample and extract collection between October 2022 and November 2024, covering a period of severe drought in the department. A new sample collection within the doctoral project will allow for a comparison between the state of the forest at the onset of the drought and its current state after rainfall recovery. Regular sampling throughout the doctoral work will examine the response and resilience of this model ecosystem to climatic stress. These data will be supported by the long-term monitoring of climatic factors in the Reserve, which has been recording temperature and rainfall measurements since 1960.
In parallel, the assessment of Potential Biodiversity Indices (IBP) will help link the obtained chemical data to fine-scale environmental biodiversity characterization (plant species, maturity and age, stand structure) while also predicting associated biodiversity through the habitats provided (notably dendromicrohabitats), thus integrating a dynamic dimension into these observations. Finally, data obtained within the framework of the UNESCO FORe project on environmental DNA from Massane soils will enable a first investigation of the link between chemical landscapes and microbial communities.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIM (Sciences, Ingénierie, Médecine)

227 Sciences de la nature et de l'Homme : évolution et écologie

Chimie analytique, connaissances en spectrométrie de masse, métabolomique, chimie des substances naturelles, analyses statistiques, écologie chimique.
Analytical chemistry, mass spectrometry, metabolomics, natural substances chemistry, statistical analyses, chemical ecology.