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Thèse Année : 2020

Epipelagic marine plankton through the lens of population genomics : a molecular study using metagenomic and metatranscriptomic data of Tara Oceans expeditions

Le plancton épipélagique marin du point de vue de la génomique des populations : une étude moléculaire à travers les données métagénomiques et métatranscriptomiques issues des expéditions de Tara Oceans

Romuald Laso-Jadart

Résumé

Marine plankton constitute an ecosystem regrouping species of micro-organisms of a high diversity, from bacteria to jellyfishes, which wander across the currents. These organisms play an essential role in several Earth's biogeochemical cycles (carbon, oxygen, nitrate...) and in the oceanic trophic chain. Anthropogenic climate changes are set to create important upheavals in oceans, such as acidification and global warming. It is thus crucial to understand plankton populations as a whole. Recently, progress of molecular tools and high-throughput sequencing technologies allowed a deeper study of plankton's diversity, biogeography and connectivity.Population genomics is a vast domain that focuses on genetic relations between populations, species evolution and their causes. This field can offer new perspectives to understand plankton species in relation with their environment. Nevertheless, the lack of references (genomes, transcriptomes) in databases is a heavy obstacle. Following this, the Tara Oceans project, that gathered meta-omic data from hundreds of samples and locations, enabled to adopt a new and global approach.During my thesis, my goal was to exploit Tara Oceans data to improve our knowledge on population structures of plankton and to understand the impact of environmental factors. The first step was to develop a new tool to allow to identify, without references, metavariants species (MVS) via metagenomic reads. MVS are thought as the representation of species polymorphism. With the aim to adopt a global view of plankton differentiation, I applied this method to Tara samples from the Atlantic and Austral Oceans and Mediterranean Sea. By studying MVSs, I showed that population structures of plankton were mainly explained by marine currents, temperature and salinity, and was characterized by a mosaic pattern. Finally, by focusing on polar populations of the copepod Oithona similis and by integrating Tara metagenomic and metatranscriptomic data, I identified loci under selection that presented a relative expression particularly different from their genomic abundance, opening new perspectives to study acclimation and adaptation of plankton.
Le plancton marin forme un écosystème regroupant des espèces de micro-organismes d'une grande diversité, des bactéries au méduses, qui se déplacent au gré des courants. Ces organismes ont un rôle essentiel dans divers cycle biogéochimiques terrestres (carbone, nitrate, oxygène...) et dans la chaîne trophique des océans dont nous dépendons. Les changements climatiques d'origine humaine sont susceptibles de créer de grands bouleversements dans les océans, comme l'acidification et le réchauffement des eaux. Il est donc primordial de mieux comprendre les populations de plancton dans leur ensemble. Récemment, les progrès des outils moléculaires et des technologies de séquençage à haut-débit ont permis d'étudier en profondeur sa diversité, la biogéographie des espèces et leur connectivité.La génomique des population est un vaste domaine qui s'intéresse aux relations génétiques entre les populations, l'évolution des espèces et leurs causes. Cette discipline peut offrir de nouvelles perspectives pour comprendre l'évolution des espèces planctoniques en relation avec leur environnement. Malgré tout, le manque de référence (génomes et transcriptomes) dans les banques de données constitue un obstacle difficilement dépassable. C'est ainsi que le projet Tara Oceans, qui a permis de recueillir des données méta-omiques de centaines d'échantillons dans toutes les mers du globe, permet d'adopter une nouvelle approche et globale.Durant ma thèse, mon but a donc été d'exploiter les données de Tara Oceans pour améliorer notre compréhension des structures génétiques du plancton, et comprendre l'impact des facteurs environnementaux. Pour cela, la première étape a été de créer un nouvel outil permettant d'identifier, sans référence, des metavariants species (MVS) via les lectures métagénomiques. Les MVS sont pensés comme la représentation du polymorphisme des espèces. Dans le but d'avoir une vue globale de la différentiation du plancton, j'ai appliqué cette méthode à des échantillons de Tara issues des océans Atlantique, Austral et de la Méditerranée. En étudiant des MVS assignés à des bactéries, des protistes ou du zooplancton, j'ai pu montrer que les structures des populations planctoniques étaient expliquées majoritairement par les courants marins, la température et la salinité et présentaient un caractére de mosaïque. Enfin, en me concentrant sur des populations polaires du copépode Oithona similis, et en intégrant les données métagénomiques et métatranscriptomiques de Tara, j'ai pu identifier des locis sous sélection dont l'expression relative était particulièrement différente de leur abondance génomique, ouvrant de nouvelles perspectives pour l'étude de l'acclimatation et de l'adaptation du plancton à son environnement.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03279692 , version 1 (06-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03279692 , version 1

Citer

Romuald Laso-Jadart. Epipelagic marine plankton through the lens of population genomics : a molecular study using metagenomic and metatranscriptomic data of Tara Oceans expeditions. Populations and Evolution [q-bio.PE]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASL040⟩. ⟨tel-03279692⟩
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