Mention Ecologie, Biodiversité et Evolution

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 : [phone] (JJG) ou 04.68.42.51.59 (JH)
Fax : [phone]
Email : [godon, harmand]@ensam.inra.fr
Références dans le domaine :
 Arditi, R. & Ginzburg L. R. (1989). Coupling in predator-prey dynamics : ratio-
dependence. 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 travaux
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(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 substrat-
dépendant. 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 ratio-
dépendant. 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 : OUI
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Ces travaux n'ont pas encore été publiés