Archaea in the Gulf of Aqaba

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1 Archaea in the Gulf of Aqaba
D’après Danny Ionescu et al., 2009 UE 106 : Diversité des Organismes Marins AIGLE A. et BARTOLOME M. M1 Biologie et Ecologie Marines

2 INTRODUCTION Golfe d’Aqaba :
Bassin chaud situé dans la partie septentrionale de la mer rouge. Isolé du bassin principal par un étranglement ainsi, les températures des eaux profondes ne tombent jamais en dessous de 20,7°C. Isolé de la plupart des courants océaniques : on observe une stratification de la colonne d’eau en été et une homogénéisation en hiver. Répartition homogène de l’activité microbienne. Hydrographie et oligotrophie. Conditions oxiques dans toute la colonne d’eau toute l’année. Archées : Premiers organismes isolés dans des milieux extrêmes mais répartition globale dans l’ensemble de l’océan mondial (MCINERNEY et al., 1997). Représente 1% à 12% du picoplancton (maximum 30%) (cours de M. Michotey) Les deux principaux phylum, Crenarchaeota et Euryarchaeota, sont présents dans le Golf et présentent, de manière générale, une séparation bathymétrique. Approche polyphasique de l’étude avec pour but de : Caractériser les populations d’Archaea du golfe d’Aqaba. Déterminer leur abondance, leur distribution et leur diversité. Définir leur rôle dans la production primaire et hétérotrophe.

3 1. TECHNIQUES ET RESULTATS
1.1 Procédés d’échantillonnage… Les prélèvements ont été effectués entre mars et avril (en 2003 et 2007) au niveau d’une unique station. Pour chaque prélèvements : Bouteille Niskin sur rosette pour la collecte des échantillons destinés au cinq séries d’analyses, lecture continue des différents paramètres par sonde CTD, détermination de la concentration en oxygène dissous. Le but étant de mettre en évidence l’évolution de la stratification estivale afin de tester l’hypothèse d’une séparation spatiale entre Euryarchaeota et Crenarchaeota. Carte 1. Location géographique du site d’étude (Google earth®)

4 … et propriétés hydrographiques (cas des expériences de CARD FISH)
- Mars 2007 : colonne d’eau mélangée, pas de thermocline. - Mai 2007 : stratification de la colonne d’eau et apparition d’une thermocline à 100 mètres. Pour tous les prélèvements : - Quelque soit la profondeur, la température ne descend jamais en dessous de 21°C, - la colonne d’eau est saturée en oxygène dissous, ce n’est donc pas un facteur limitant, - la salinité est constante et élevée. Fig.1. Temperature, (left panels), chlorophyll fluorescence and oxygen (right panels) profiles of the water column at station A in the Gulf of Aqaba in March and May 2007.

5 processus biologiques. Résultats :
1.2 CARD FISH But : détecter, identifier et quantifier des microorganismes impliqués dans des processus biologiques. Résultats : Avec utilisation de sondes spécifiques, mise en évidence de la proportion d’Archaea: 20 à 40% du procaryoplancton. Fig.2. CARD FISH analysis result of the Archaea community in the Gulf of Aqaba Fig.3. CARD FISH analysis result of the prokaryoplankton community in the Gulf of Aqaba

6 1.4 Mesure de l’uptake de NaH14CO3
But : Incorporation de bicarbonate pour mettre en évidence la production autotrophe par absorption de carbone inorganique dissous. Résultats : Sans antibiotique (AB) : 3 pics. Avec antibiotique: jusqu’à 86% d’inhibition d’incorporation du carbone inorganique pour une profondeur inférieure à 500m. Fig.6. Nitrite, nitrate and phosphate profiles at the time of dark CO2 incorporation measurements (April 2008). Fig.7. Dark uptake of H14CO3 in the presence and absence of inhibitors (April 2008).

7 1.3 Electrophorèse sur gel en gradient dénaturant (DGGE)
But de la DGGE : Obtenir une image de la diversité du peuplement dans le Golfe d’Aqaba. Caractériser, d’un point de vu phylogénétique, les populations génétiquement distinctes au sein des Archaea (amorce générale), Euryarchaeota et Creanarchaeota (amorces spécifiques) et éventuellement, les corréler à leur distribution spatiale. Résultats : Existence de plusieurs populations génétiquement différentes avec 3 groupes dans les Archaea générales et les Euryarchaeota et 4 groupes chez les Crenarchaeota. Fig. 4. DGGE dendrograms for total Archaea, Crenarchaeota and Euryarchaeaota. Depths represent the origin of the sampling, the red lines materialize the genetically distinct population group. Fig. 5. Temperature, (left panels), chlorophyll fluorescence and oxygen (right panels) profiles of the water column at station A in the Gulf of Aqaba in April 2008.

8 1.5 Mesure de l’uptake de Leucine
But : Mesure de l’incorporation de leucine marquée pour mettre en évidence la production hétérotrophe. Résultats : Avec antibiotique : jusqu’à 90% d’inhibition de l’uptake de leucine, forte décroissance de l’incorporation de leucine à partir de 500m. Diminution de la production hétérotrophe? Fig. 8. Heterotrophic productivity calculated from leucine uptake experiments (with or without inhibitors, April 2008).

9 1.6 Extraction d’ADN génomique et analyse phylogénétique des séquences du gène d’ARNr 16S
But : Identification des séquences appartenant aux groupes Euryarchaeota et Creanarchaeota au sein du golfe d’Aqaba par analyse BLASTN sur la base de donnée GenBank NCBI. Observation des relations phylogénétiques entre les séquences d’Archées du golfe et les communautés d’Archées majeures en déterminant l’arbre le plus parcimonieux. Résultats : Les séquences du golfe se placent clairement en deux groupes séparés : l’un chez les Crenarchaeota, l’autre chez les Euryarchaeota avec des groupes distincts n’étant liés à aucune espèce connue. Fig. 9. A minimum evolution phylogenetic tree of all major Archaea groups and the archaeal sequences from the Gulf of Aqaba. Fig. 10. Phylogénie du Groupe Marin II (Euryarchaeota)

10 1.7 Construction d’une bibliothèque fosmide et analyse
But : identifier les séquences obtenues par BLASTX sur la base de donnée GenBank NCBI afin de : déterminer la distribution des séquences codantes pour des protéines représentantes de groupes fonctionnels (méthanogène, thermophile, halophile) sur la communauté du golfe d’Aqaba, appréhender le rôle microbiologique des Archaea de la communauté du golfe. Résultats : Les séquences d’Archaea représentent 5% du total du procaryoplancton traité. Les correspondances obtenues ont identifié les séquences du golfe d’Aqaba comme des proches de ‘maritimus Nitrosopumilus Candidatus’ ainsi que des groupes fonctionnels méthanogènes, halophiles et thermophiles. Enfin, un petit groupe de séquence a montré une forte corrélation avec des séquences d’Archaea non cultivées. Table. 1. List of few fosmid clones with archaeal matches found using BLASTX search BLAST e-value and identity of the closest match are given as well as the number of times this organisms showed up as best BLAST match.

11 2. DISCUSSION Pré-requis : écosystèmes marins stratifiés Euryarchaeota présentes dans les couches supérieures et Crenarchaeota présentes sous la thermocline (MCINCERNEY et al., 1997). Dans l’étude : Euryarchaeota présentes au dessus et en dessous de la thermocline (100m) et la distribution de Crenarchaeota ne semble pas être liée à la profondeur. Information quantitative : Résultat du CARD FISH : Archaea = 20% du procaryoplancton. Résultat du criblage de la banque fosmide : Archaea = 5% du procaryoplancton. Résultats contradictoires fondés sur la nature des analyses. On remarque que les échantillons prélevés dans le golf forment des groupes uniques. Peut être due à la source de l’eau dans le golfe. Sélection spécifique des Archée de surface et probable spéciation dans le golfe d’Aqaba. Divergence progressive depuis le détroit de Bad-el-Manbed vers le golfe d’Aqaba. Les Archaea sont groupées en fonction de leur environnement local plutôt que position géographique = théorie du groupement fonctionnel (Teske & Sørensen, 2008) prouvé par l’éloignement entre les Archaea du golfe associées au mucus des coraux et les Archaea pélagiques du golfe.

12 Analyse des séquences d’ARN 16S : proximité avec d’autres séquences d’Archaea
marines dont le rôle écologique est inconnu. Analyse fosmide : identifie la plupart des Archaea du golfe en tant que membres de groupe fonctionnels, seul 19% de correspondance avec l’Archaea marine non cultivée la plus proche. Résultats non validés : la présence d’Archaea méthanogènes, halophiles ou thermophiles dans le golfe ne peut être validé. Uptake de leucine : vise à mettre en évidence la productivité hétérotrophe des organismes, - sans AB, uptake significativement plus important au niveau de la couche photique. Hypothèse : ce sont les bactéries qui utilisent la leucine. - avec AB, pas de tendance claire en profondeur (courbe en médaillon). Hypothèse : faible contribution des Archaea à l’activité hétérotrophe. Uptake de carbone inorganique dissous (DIC) : vise à mettre en évidence la productivité autotrophe des organismes : Action très marquée des AB sur l’absorption du DIC en surface, non significative en profondeur. Hypothèse : une partie de cette activité pourrait être attribuée à une Crenarchaeota autotrophe ammonio-oxydante. En accord avec : CARD FISCH : majorité des Crenarchaeota situées en eaux profondes. Banque fosmide : fort lien entre les séquences de Nitrosopumilus maritimus (Archaea ammonio-oxydante) et les Crenarchaeota du golfe. Analyse du gène d’ARNr 16S : Archaea amonio-oxydatrices associées au coraux et oxydation de l’ammonium observées dans le golfe (Siboni et al. 2008).

13 3. CONCLUSION La communauté d’Archaea du golfe d’Aqaba est unique, probable conséquence d’une sélection d’espèces d’eaux de surface. La proportion des Archaea dans le golfe concernant la distribution et le rôle écologique de ces organismes est particulière et unique à ce jour. Des études complémentaires permettraient de confirmer les hypothèses énoncées concernant les populations d’Archaea de la mer rouge.

14 BIBLIOGRAPHIE MCINERNEY JAMES O. , MULLARKEY MARICE, WERNECKE MARTINA E. AND POWELL RICHARD, Phylogenetic analysis of Group I marine archaeal rRNA sequences emphasizes the hidden diversity within the primary group Archaea. The Royal Society. Siboni N, Ben-Dov E, Sivan A & Kushmaro A, Global distribution and diversity of coral - associated Archaea and their possible role in the coral holobiont nitrogen cycle. Environ Microbiol. Garcia-Martinez J, Rodriguez-Valera F, Microdiversity of uncultured marine prokaryotes: the SAR11 cluster and the marine Archaea of Group I. Molecular ecology. T. Cavalier-Smith, The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. Cours « Diversité des procaryotes marins », V. Michotey, 2010. ,