Rôle des structures biogéniques dans la sélection artificielle de communautés microbiennes

Contexte et objectifs

Les microbiotes jouent un rôle central dans le fonctionnement des écosystèmes, notamment en agriculture où ils influencent la nutrition et la santé des plantes. La sélection artificielle de communautés microbiennes émerge aujourd’hui comme une stratégie prometteuse pour orienter ces fonctions, en alternative ou en complément à l’utilisation de souches isolées.

Cependant, les approches actuelles considèrent principalement la communauté microbienne comme une entité génétique, en négligeant un aspect fondamental : les microorganismes modifient leur environnement au cours du temps, produisant des composés et des structures (métabolites, biofilms, signaux chimiques) susceptibles d’influencer leur propre évolution. Ce processus, connu sous le nom de construction de niche, pourrait jouer un rôle déterminant dans la dynamique évolutive des microbiotes. Ce projet de thèse propose d’explorer une hypothèse originale : l’évolution et la sélection des microbiotes dépendent non seulement de leur composition, mais aussi des structures biogéniques qu’ils produisent et transmettent entre générations.

Deux hypothèses principales seront testées :

(H1) les structures biogéniques modifient la trajectoire évolutive des microbiotes ;

(H2) leur transfert améliore l’efficacité de la sélection artificielle.

Approche scientifique

Le projet repose sur une stratégie expérimentale combinant écologie microbienne, évolution expérimentale et approches omiques. Ces expérimentations seront réalisées dans des conditions où un stress d’intensité croissante est appliqué (réduction de la concentration de nutriments apporté en début de cycle de croissance), afin de favoriser l’apparition de mutations ou de modifications aux différents niveaux de régulation (e.g. épigénétique).

1. Évolution expérimentale de microbiotes

Des microbiotes issus de sols (rhizosphère de blé) seront cultivés en conditions contrôlées sur plusieurs générations. L’originalité du dispositif repose sur la manipulation indépendante de deux composantes (i) les microorganismes eux-mêmes ; (ii) les structures biogéniques (fraction filtrée du milieu de culture). Cela permettra de comparer différentes trajectoires évolutives selon que ces structures sont (i) absentes, (ii) conservées, (iii) ou co-évoluées avec les microbiotes.

2. Sélection artificielle de communautés

Une seconde expérimentation visera à sélectionner des microbiotes sur un critère fonctionnel (production de biomasse). L’efficacité de la sélection sera comparée entre traitements avec ou sans transfert des structures biogéniques.

L’ensemble du dispositif inclura des réplications expérimentales en lignées indépendantes, un suivi sur plusieurs générations, et une comparaison à des témoins non sélectionnés.

3. Une double approche : système modèle et microbiotes complexes

Un point fort du projet est l’intégration de deux niveaux de complexité :

• un système simplifié basé sur une souche d’Escherichia coli, inspiré des expériences d’évolution à long terme de Richard Lenski.
• des microbiotes de sol complexes (forte diversité, interactions écologiques réalistes) ;

Cette double approche permettra de tester la généricité des mécanismes observés, de relier dynamiques communautaires et mécanismes évolutifs fondamentaux, d’interpréter les résultats complexes à l’aide d’un modèle simplifié.

4. Analyses

La souche d’E. coli sera caractérisée par séquençage à différentes générations pour détecter l’apparition de mutations. Les communautés seront caractérisées par séquençage (16S/18S) pour décrire la structure des microbiotes. Une analyse métabolomique permettra de décrire les structures biogéniques (ou molécules présentes dans l’environnement).

Des mesures fonctionnelles (densité optique, dynamique de croissance, micro-respirométrie) permettront d’évaluer les niveaux d’activités globaux. Dans l’expérience 2 (sélection artificielle), le trait sélectionné sera la production de biomasse, évaluée au travers de la densité optique.

Originalité et portée

Ce projet propose une rupture conceptuelle en réintégrant la boucle de rétroaction éco-évolutive dans la sélection artificielle de microbiotes. Il dépasse les approches classiques en :

• considérant l’environnement comme une composante partiellement héritée,
• testant explicitement le rôle des structures biogéniques,
• combinant écologie des communautés et évolution expérimentale.

À terme, ces travaux pourraient améliorer les stratégies de biocontrôle et de biostimulation en agriculture, en permettant de sélectionner des microbiotes plus efficaces et plus stables.

Université de Bourgogne Europe

Laboratoire d'accueil : AGROECOLOGIE

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écologie / écologie évolutive

microbiologie / écologie microbienne

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