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Déterminismes des efflorescences cyanobactériennes

publié le , mis à jour le

Les travaux de recherche menés actuellement au laboratoire sur la problématique des efflorescences cyanobactériennes concernent plus particulièrement le modèle Microcystis et s’organisent autour de trois axes principaux :

-La compréhension des mécanismes régulant le cycle de développement de la cyanobactérie Microcystis aeruginosa. Il s’agit notamment de :

    • Rechercher les facteurs déclenchant le recrutement printanier et les mécanismes impliqués ;
    • Connaître les limites de survie de cette cyanobactérie en phase benthique et les processus physiologiques mis en jeux ;
    • Analyser les modalités de répartition spatiale de l’espèce aussi bien en phase benthique que planctonique, en système lacustre et fluvial.

- L’implication écologique des cyanotoxines :

    • Identification des facteurs environnementaux régulant la production de toxines
    • Déterminisme du rôle écologique des cyanotoxines
    • L’impact des cyanotoxines d’une part au niveau du cycle de vie et de la dynamique des populations cyanobactériennes et d’autre part sur d’autres communautés aquatiques (bactéries, virus, éphippies de cladocères).

-L’évolution temporelle et spatiale de la diversité génétique de Microcystis aeruginosa :

    • A l’échelle d’une prolifération
    • A l’échelle du bassin versant.


Travaux en cours

  • Mécanismes impliqués dans le recrutement benthique de la cyanobactérie Microcystis aeruginosa

Le suivi in situ du cycle annuel de Microcystis a permis d’identifier les processus physiques et biologiques impliqués dans le couplage entre les phases benthique et planctonique.
Les résultats ont montré que le recrutement benthique printanier a lieu préférentiellement en zone profonde à partir de la strate supérieure (0-2 cm) du sédiment. Il est précédé par des modifications physiologiques cellulaires des cyanobactéries (augmentation de l’activité enzymatique, des teneurs en protéines et de la fréquence de division cellulaire).

Les processus en cascade de mise en suspension des sédiments interviennent également dans le recrutement benthique de Microcystis. Il semble alors que ce soit le couplage entre les paramètres abiotiques (lumière, température, débit et turbulence) et la reprise d’activité métabolique des cellules au printemps qui permet aux cyanobactéries benthiques d’inoculer l’ensemble de la masse d’eau.

Ainsi, les même processus dynamiques qui transportent les cyanobactéries benthiques des sédiments littoraux vers les zones profondes en hiver, leur permettent de regagner la couche euphotique au printemps. Ils constituent une caractéristique structurante de l’habitat. Ce processus supplémentaire dans la phase de recrutement, lié à la variabilité interannuelle du régime hydro-météorologique, rajoute un aléa dans l’ampleur et la régularité du recrutement.

Cette interprétation de la dynamique spatiale et temporelle de Microcystis, intégrant la dimension physique en tant qu’élément structurant l’habitat, demande d’être complétée par la réalisation et l’analyse d’un suivi long terme en cours de réalisation.

  • Analyse de carottes sédimentaires

Les derniers campagnes de carottage sur la retenue de Grangent
ont montré la présence de fortes concentrations de colonies de Microcystis, non seulement en surface du sédiment mais aussi à des profondeurs correspondant aux années 2003 et 1990.

Les mesures réalisées montrent que le vieillissement des colonies cyanobactériennes se traduit par la disparition des cellules périphériques. Les cellules au cœur de la colonie persistent dans un état physiologique (activité enzymatique, cellules en division et toxines intracellulaires) et avec une ultrastructure (notamment les vésicules à gaz, granules de stockage) comparables à ceux de la forme planctonique avec tout le potentiel nécessaire à leur croissance.

La perspective actuelle de ce travail est de retracer l’historique complet des efflorescences cyanobactériennes de la retenue de Grangent, depuis sa mise en eau en 1957. Ceci permettra non seulement de suivre le processus d’eutrophisation de cette retenue mais également d’analyser les mécanismes de sélection et de survie de Microcystis en phase sédimentaire.

  • Cinétique des clones potentiellement producteurs de toxines en relation avec la dynamique et la diversité génétique des populations de Microcystis

L’étude de la dynamique et de la diversité génétique de six populations de la cyanobactérie Microcystis a montré des variations temporelles de la composition génotypique des populations au cours de l’évènement de prolifération, ainsi qu’une structuration génétique des populations à l’échelle régionale.

En système lacustre en étangs, la diversité génétique est maximale en début et fin de prolifération alors qu’elle est réduite à trois génotypes dominants au maximum de biomasse. En revanche, la présence dominante d’un génotype en système fluvial suggère une adaptation de ce génotype aux conditions lotiques.

Ces résultats semblent indiquer que les génotypes dominants les populations de Microcystis sont sélectionnés par des conditions environnementales locales très spécifiques au système dans lequel elles se développent. Enfin, la prise en compte de la totalité des séquences ITS de Microcystis disponibles dans les bases de données n’a révélé aucune différentiation biogéographique des populations de Microcystis à l’échelle mondiale.

L’étude de la diversité génétique d’une population sur deux années successives, couplée à une étude multispatiale au sein du même écosystème permettront de mieux comprendre les facteurs et processus impliqués dans la sélection des génotypes dominants les proliférations. L’étude de la composition génotypique de la population benthique nous renseignera sur la capacité des génotypes à survivre dans les sédiments lacustres, où les cyanobactéries sont confrontées à des conditions environnementales très différentes de celles de la colonne d’eau.

Techniques utilisées

  • Application terrain : carottage, prélèvements organismes aquatiques, sonde fluoroprobe…
  • Approche de sédimentologie : granulométrie laser, susceptibilité magnétique
  • Approche cellulaire : cytométrie en flux, microscopie électronique, microscopie épifluorescence, dosages de cyanotoxines (PP2A, HPLC), culture de micro-algues
  • Approche moléculaire : clonage-séquençage, PCRq

Projets en cours

  • Contrat de Recherche et de Codéveloppement EDF R&D : Cyanobactéries dans les retenues métropolitaines.
  • ANR MATRICS : Microcystis aeruginosa, un modèle pour étudier le déterminisme de la toxicité chez les cyanobactéries.
  • Projet EC2CO 2007 : Impact d’herbicides (phenylurée, tricétone) sur les microorganismes (procaryotes, eucaryotes) d’écosystèmes aquatiques : complémentarité des approches génétiques et métabolomiques.
  • Subvention DDASS : recherche des formes de survie benthique de cyanobactéries dans les plans d’eau d’Auvergne.

Collaborations

  • EDF-R&D
  • Institut Pasteur, Unité des Cyanobactéries : co-encadrement d’une thèse avec Jean François Humbert
  • Laboratoire de Synthèse et Etude des Systèmes à Intérêt Biologique, Université Blaise Pascal
  • Muséum d’Histoires Naturelles
  • Laboratoire Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution de Rennes

Personnes impliquées sur ce thème de recherche

  • Delphine Latour (MCF),
  • Marion Sabart (étudiante en thèse)
  • Benjamin Misson (étudiant en thèse)

Publications

  • LATOUR D., M.J. SALENCON et H. GIRAUDET, 2007. Sedimentary Imprint of Microcystis aeruginosa Kütz. Blooms in Grangent Reservoir (Loire, France). Journal of Phycology ; 43 : 417-425.
  • LATOUR D., H. GIRAUDET et M.J. SALENCON, 2004. Méthode d’échantillonnage adaptée aux Cyanobactéries coloniales en milieu lacustre. Cas appliqué à Microcystis aeruginosa sur la retenue de Grangent. C.R. Biologies ; 327 (2) : 105-113.
  • LATOUR D., H. GIRAUDET et J-L. BERTHON, 2004. Frequency of dividing cells and viability of Microcystis aeruginosa in sediment of a eutrophic reservoir. Aquatic Microbial Ecology ; 36 : 117-122.
  • LATOUR D., O. SABIDO, MJ. SALENCON et H. GIRAUDET, 2004. Dynamics and metabolic activity of the benthic cyanobacterium Microcystis aeruginosa in the Grangent reservoir (France). Journal of Plankton Research ; 26 (6) : 1-8.
  • LATOUR D. et H. GIRAUDET, 2004. Factors influencing the spacio-temporal distribution of benthic cyanobacteria in the hypertrophic Grangent reservoir (Loire, France). C.R.Acad.Sci. ; 327 : 753-761.
  • LATOUR-DURIS D., H. GIRAUDET et J.-L. BERTHON, 2002. Effet d’une expérimentation de brassage artificiel épilimnique par aération sur les poussées cyanobactériennes dans la retenue de Grangent (France). Revue des Sciences de l’Eau, 15 : 289-297.
  • HUMBERT J.F., DURIS-LATOUR D., LE BERRE B., GIRAUDET H., SALENCON M.J., 2005 Genetic diversity in Microcystis populations of a French storage reservoir assessed by sequencing of the 16S-23S rRNA Intergenic Spacer. Microbial Ecology, 49 : 308-314.
  • SABART M., POBEL D., LATOUR D., ROBIN J., SALENCON M.J. & HUMBERT J.F. Spatiotemporal evolution of the genetic diversity in French bloom-forming populations of the potentially toxic cyanobacterium Microcystis aeruginosa. Soumis dans Molecular ecology
  • SABART M., BRIAND E., LATOUR D., STRAUB C., SALENCON M.J. & HUMBERT J.F. Spatiotemporal variations in the dynamics of potentially microcystin-producing strains in bloom-forming Microcystis populations. En préparation
  • SABART M., LATOUR D., SALENCON M.J. & GIRAUDET H. Comparative study of gaz vesicle quantification in benthic Microcystis aeruginosa. En préparation
  • BRIAND E., ESCOFFIER N., STRAUB C., SABART M., QUIBLIER C. & HUMBERT J.F. Spatiotemporal variations in the genetic diversity and the toxicity during the formation of a Microcystis aeruginosa proliferation in the Grangent reservoir (France). En préparation