Mention Ecologie, Biodiversité et Evolution Proposition de stage de M2 Titre du stage : Etude des rôles respectifs de la compétition inter et intra-spécifique dans le maintien de la diversité d'un écosystème microbien Laboratoire d’accueil : Intitulé du laboratoire : INRA-Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement Intitulé de l’équipe : Ecologie Microbienne Responsable du stage : Nom : Jean-Jacques GODON et Jérôme HARMAND Tél : 04.68.42.51.54 (JJG) ou 04.68.42.51.59 (JH) Fax : 04.68.42.51.60 Email : [godon, harmand]@ensam.inra.fr Références dans le domaine : Arditi, R. & Ginzburg L. R. (1989). Coupling in predator-prey dynamics : ratiodependence. Journal of Theoretical Biology 139, 311-326. Contois, D. E. (1959). Kinetics of bacterial growth : relationship between population density and specific growth rate of continuous cultures. J. Gen. Microbiol. 21, 40-50. Hutchinson, G. E. (1961) The paradox of the plankton. American Naturalist. 95 : 137-145 Description du stage Contexte : En quelques années, 10 ans, l’écologie microbienne est sortie d’un quasi néant pour prendre une part de plus en plus importante en microbiologie. Cette croissance est essentiellement due à la conjonction entre des outils (moléculaires) et un intérêt pour « l’environnement ». Les découvertes sur la diversité, la dynamique ou encore la redondance fonctionnelle sont une révolution dans la microbiologie même si elles diffusent lentement. Ces découvertes ont nécessité et nécessitent encore des approches descriptives de plus en plus importantes qui glissent de la structure des communautés microbiennes (ADNr 16S) vers le métagénome, descriptions qui, par leur gigantisme, risquent de nous échapper. La révolution, c’est aussi notre capacité à obtenir des « informations » directement de l’ancienne « boîte noire » écosystème microbien. Ces découvertes en ‘terra icognita’ se sont faites en explorateurs-aventuriers hors d'un cadre théorique bien défini. Pour l’écologie des macro-organismes, il y a des théories et des modèles et de possibles mais difficiles validations. Quid de l’écologie des micro-organismes ? Il y a des théories et des modèles mais il n’y avait pas de validations possibles sauf sur des systèmes très simplifiés. Ce stage s'inscrit dans une volonté de formaliser, à l'aide de l'outil mathématique, des problèmes d'écologie microbienne. Pour ce faire, il s'agit d'étudier comment les règles qui régissent la croissance des espèce (caractérisation de leurs taux de croissance) conditionnent leur capacité à coexister au sein d'un écosystème. Objectifs : Le principe d'exclusion compétitive (cf. Hutchinson, 1961) stipule qu'au plus une espèce peut survivre sur une unique ressource. Or, dans de nombreux cas, on observe dans des communautés microbiennes complexes le maintien de nombreuses espèces en présence d'un seul substrat. Ce stage aborde cette question en explorant une piste fortement liée aux propriétés de croissance des micro-organismes. A partir d'une meilleure connaissance des taux de croissance spécifiques des différentes espèces de bactéries présentes, nous pensons pouvoir expliquer pourquoi ce maintien est possible. A partir de modèles mathématiques fondés sur des bilans de matière en chémostat, de récents travaux1 (menés dans le domaine des mathématiques) ont montré que la coexistence d'un nombre arbitrairement grand d'espèces croissant sur un seul substrat était possible si les taux de croissance des micro-organismes présents étaient du type ratio-dépendant (cf. Arditi et Ginzburg, 1989) plutôt que substratdépendant. Plus spécifiquement, considérant N espèces croissant sur un substrat et dépendant de la quantité de ressource présente, il a été montré que trois cas pouvaient se présenter : soit les N espèces survivent, soit un nombre M d'espèces (0<M<N) survivent, soit aucune ne survit (dans le cas où il y a lessivage du réacteur). Dans ces conditions, le principe d'exclusion compétitive ne s'applique donc pas. En fait, ces résultats peuvent être interprétés en termes de compétition intra-spécifique par rapport à la compétition inter-spécifique : si la compétition intra-spécifique est plus forte que la compétition inter-spécifique, alors deux espèces peuvent survivre sur un seul substrat. Méthode : La première partie du stage consistera en la mise au point des méthodes et techniques permettant de caractériser le phénomène de compétition de micro-organismes en croissance dans un chémostat en utilisant des méthodes moléculaires. Plusieurs chémostats incluant un nombre contrôlé - mais différent - d'espèces seront alors étudiés. L'approche permettra de suivre la dynamique des différentes espèces présentes et de quantifier les phénomènes de compétition intra et inter-spécifiques. Des expérimentations telles que la contamination de l'écosystèmes ou l'application de perturbations externes permettront d'étudier la stabilité à moyen terme des écosystèmes reconstitués. Le faible nombre d'espèces présentes nous permettra d'aborder la modélisation macroscopique des systèmes étudiés et de déterminer si leur comportement peut être expliqué par une croissance de type ratiodépendant. Enfin, les résultats de ces expériences seront comparées aux travaux actuellement menés au laboratoire et relatif à l'étude de la résilience des écosystèmes microbiens de digestion anaérobie. Perspectives : Ces résultats préliminaires alimenteront les questionnements liés au comportament ratio-dépendant des écosystèmes. Ces travaux pourront se poursuivre dans le cadre d'une thèse centrée sur le rôle de la ratio-dépendance dans le maintien de la diversité. Pour les stages de M2 Ce stage peut-il se poursuivre par une thèse : 1 Ces travaux n'ont pas encore été publiés OUI