Titre : Des données environnementales « omics » à la modélisation

Projet de Recherche Doctoral (PRD)- Interfaces Pour le Vivant 2016
Titre : Des données environnementales « omics » à la modélisation des processus
biogéochimiques dans l’océan
Mots clefs : Diversité génomique environnementale, diversité fonctionnelle, réseaux de co-
occurence, bioinformatique, cycles biogéochimiques, océanographie, modélisation,
plancton
Contexte scientifique interdisciplinaire :
Les communautés planctoniques jouent un rôle central dans le fonctionnement des cycles
biogéochimiques océaniques [1]. Néanmoins, comprendre le lien entre diversité
planctonique, conditions environnementales, et cycles biogéochimiques reste un des défis
majeurs de l’océanographie contemporaine. En parallèle, le développement des méthodes
de séquençage à haut-débit a permis l’acquisition d’une quantité de données inédite sur la
diversité moléculaire et la génomique des communautés planctoniques eucaryotes à
l’échelle globale [2].
Or, pour faire le lien entre ce nouveau type de données et les grands cycles
biogéochimiques, il est nécessaire de proposer de nouvelles méthodologies permettant à la
fois de décrire cette biodiversité et de quantifier son impact sur le fonctionnement des
écosystèmes. Pour cela, l’approche fonctionnelle s’impose comme un outil prometteur. En
effet, elle repose sur la définition de traits fonctionnels caractérisant les organismes et
permet de définir des groupes fonctionnels regroupant des organismes assurant des
fonctions similaires dans l’écosystème. De tels groupes peuvent ensuite être incorporés
aux modèles biogéochimiques océaniques afin de simuler la dynamique des écosystèmes
planctoniques. Or, l’utilisation de données de type “-omics” peut dorénavant permettre
d’inférer les traits fonctionnels des organismes planctoniques à partir des échantillons
récoltés à l’échelle du globe [3]. Ainsi, la disponibilité des données environnementales de
génomique et de transcriptomique de divers océans constitue une opportunité sans
précédent pour permettre de décrire les communautés planctoniques au niveau
fonctionnel.
Objectifs de la thèse :
Dans ce contexte, l’objectif de ce projet de recherche doctoral est de développer une
nouvelle méthodologie, basée sur des outils d’analyse de données et de modélisation,
visant à décrire les groupes fonctionnels présents au sein des communautés planctoniques
et à simuler leur dynamique au sein de modèles biogéochimiques océaniques. De grands
jeux de données “-omics” environnementaux produits par du séquençage à haut-débit, et
particulièrement bien décrits (mesures in situ de paramètres physico-chimique et
biologiques), seront utilisés pour inférer les traits fonctionnels (ou fonctions) des
organismes planctoniques (production primaire, fixation d’azote, recyclage, broutage,
mixotrophie, diazotrophie, ...). Cette méthodologie sera développée sur des données
existantes (en particulier collectées dans le cadre de la campagne Tara Oceans [4]) et
pourra par la suite être appliquée à des données similaires de type “-omics”, dont
l’acquisition connaît une croissance exponentielle en milieu marin.

Outre le développement d’outils d’analyse de données multivariées innovants pour l’étude
des réseaux génomiques, ce projet de recherche doctoral contribuera à une meilleure
compréhension des mécanismes d'adaptation fonctionnelle des organismes planctoniques
marins, et fournira des connaissances théoriques et appliquées à l’interface de la biologie
moléculaire, de la biologie des systèmes, des statistiques multivariées, de l’écologie, de la
biogéochimie, de l’océanographie, et de la modélisation. Les résultats obtenus
contribueront, par exemple, à améliorer nos connaissances sur les mécanismes
responsables de la distribution de la diversité planctonique marine et contribueront, grâce à
la modélisation, à une meilleure compréhension des cycles biogéochimiques océaniques et
en particulier de la pompe biologique à carbone. Enfin, ces travaux permettront une
amélioration de la caractérisation ou la découverte de nouvelles fonctions écologiques
assurées par les organismes planctoniques. Enfin caractériser ces fonctions impliquées
dans la production primaire et le recyclage des nutriments et de la matière carbonée et les
replacer dans un cadre biogéographique apparaissent comme des aspects essentiels pour
la gestion et la conservation des écosystèmes marins. Ces travaux serviront donc de base
à des études plus fines sur les impacts écologiques et biogéochimiques des organismes
planctoniques océaniques.
Partenariat de mise en place du projet et complémentarité des encadrantes :
L'étudiant(e) bénéficiera pour ce projet d'un environnement dynamique et interdisciplinaire
pour effectuer ces recherches, encadré par deux interlocutrices principales :
• Lucie Bittner, maître de conférence UPMC, membre de l’équipe « analyse des
données à haut débit en génomique » (ADHDG) au sein du département Evolution Paris
Seine de l'IPBS (UMR7138), spécialiste en bio-informatique et en traitement des
données issues de séquençage massif, et ce notamment dans le cadre de l'étude de la
diversité environnementale génomique et évolutive des eucaryotes ;
• Sakina-Dorothée Ayata, maître de conférence UPMC, membre de l’équipe «
Processus dans les Écosystèmes Pélagiques » (UMR 7093) à l’Observatoire
Océanographique de Villefranche sur mer, spécialiste en analyse de données et
modélisation pour l’étude des cycles biogéochimiques océaniques et la biogéographie
du plancton.
Stéphane Le Crom, professeur et HDR à la tête de l’équipe ADHDG à l’IBPS, sera
coordinateur du projet; Sakina-Dorothée Ayata et Lucie Bittner seront co-directrices et
porteuses du projet, et s’engagent à passer leur HDR avant 2019, c’est-à-dire avant la
soutenance du(de la) futur(e) doctorant(e).
À Villefranche-sur-mer, le(a) doctorant(e) bénéficiera également de fortes interactions avec
Lionel Guidi, chargé de recherche CNRS, océanographe spécialiste de la pompe à carbone
biologique et de l’utilisation des réseaux de co-occurence génomique (Guidi et al. 2016).
Ce projet repose sur la qualité scientifique des chercheurs ou enseignants-chercheurs
impliqués et s’inscrit dans le cadre d’une nouvelle collaboration :
■ multi-compétence et multi-disciplinaire : associant la génomique, la bioinformatique, les
statistiques, la biogéographie, l’écologie planctonique, l’océanographie, la biogéochimie
marine et la modélisation;
■ inter-écoles doctorales (ED 515 « Complexité du vivant » et ED 129 « Sciences de
l’environnement d’Ile de France ») et inter-pôles (« Vie et santé » et « Terre vivante et

environnement ») autour d'un sujet fondamental : l'étude de la diversité fonctionnelle du
plancton marin et des cycles biogéochimiques océaniques.
Contexte national et international :
Le(a) doctorant(e) bénéficiera également d’un large réseau de collaborations à l’échelle
nationale et internationale. En effet, ce projet de recherche doctoral s'inscrit dans le cadre
du projet FunOmics “Estimating functional diversity of plankton communities from high
throughput data”, financé par les programmes LEFE et EC2CO du l'INSU (2016-2018, PI :
SD Ayata, UPMC). Le projet FunOmics regroupe en particulier le Laboratoire
d’Océanographie de Villefranche sur mer (LOV, UMR 7093, UPMC/ CNRS ; SD Ayata, L
Guidi), le Laboratoire Evolution Paris Seine (UMR 7138, UPMC/CNRS ; L Bittner), le
Laboratoire AD2M de la Station Biologique de Roscoff (UMR 7144, UPMC/CNRS ; F Not),
et le Laboratoire d’Informatique de Nantes Atlantique (LINA, UMR 6241, Univ.
Nantes/INRIA/CNRS/Mines ; D. Eveillard). Enfin, en plus des collaborations établies dans le
cadre du projet international Tara Oceans sur la génomique du plancton (auquel participe L
Bittner), ce projet de recherche doctoral bénéficiera des collaborations établies dans le
cadre du projet européen PlankDiv (PI : SD Ayata, UPMC, http:// plankdiv.obs-vlfr.fr/).
Références bibliographiques :
[1] Beaugrand G, Edwards M, Legendre L, 2010. Marine biodiversity, ecosystem functioning, and carbon cycles.
PNAS 107, 10120- 10124.
[2] de Vargas C, Audic S, Henry N, [...], Bittner L, [...], Guidi L, et al., 2015. Eukaryotic plankton diversity in the
sunlit ocean. Science 348.
[3] Guidi L, Chaffron S, Bittner L, Eveillard D, et al., 2016. Plankton networks driving carbon export in the
oligotrophic ocean. Nature doi:10.1038/nature16942
[4] Pesant S, et al., 2015. Open science resources for the discovery and analysis of Tara oceans data. Scientific
Data 2, 150023.
[5] Lima-Mendez G, Faust K, Henry N, [...], Bittner L, [...], Guidi L, et al., 2015. Determinants of community
structure in the global plankton interactome. Science 348.
[6] Benedetti F, Gasparini S, Ayata SD, 2016. Identifying copepod functional groups from species functional
traits. Journal of Plankton Research 38, 159-166.
[7] Ayata SD, et al., 2013. Phytoplankton growth formulation in marine ecosystem models: Should we take into
account photo-acclimation and variable stoichiometry in oligotrophic areas? Journal of Marine Systems 125,
29-40.
Candidatures et sélection des candidats :
Les candidats ont jusqu'au 8 avril pour contacter les encadrantes ([e-mail],
[email protected]) et faire acte de candidature en envoyant un CV et une lettre
de motivation.
Des entretiens skype seront organisés la semaine suivante pour sélection un(e) candidat(e)
et transmettre son dossier au programme IPV avant le 18 avril.
La personne retenue devra ensuite passer une audition le 19 ou 20 mai devant la
commission du programme IPV.
Pour plus d'information sur le programme IPV de l'UPMC :
http://www.ifd.upmc.fr/fr/vous_avez_dit_une_these_a_l_upmc/programmes_doctoraux2/programme_doctoral_i
nterfaces_pour_le_vivant_ipv.html