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 cooccurence, 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 ([email protected], [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