Fiche_Projet_ARED_2015Paillard C

Politique régionale pour le développement de l’enseignement supérieur et de la recherche
Allocations de recherche doctorale (ARED)
Fiche projet 2015
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- Date de la demande (15…/.03../.2015..) :
1- Identification du projet (en langue française)
- Acronyme du projet (8 caractères maximum) : MicroObs
- Intitulé du projet (en langue française) :
Effet des changements environnementaux sur la dynamique des communautés et des groupes
fonctionnels MICRObiens : évolution et adaptation des bactéries et des archées dans le cadre du
développement de l’OBServatoire microbien de la rade de Brest et de la Mer d’Iroise.
2- Domaine d'innovation stratégique (DIS) du projet
- Cocher le DIS prioritaire au sein duquel le projet de thèse s'intègre. Vous pouvez cocher un DIS secondaire
(à préciser en ce cas, point 6 de la présentation du projet). Si aucun DIS ne correspond, cocher « Projet Blanc ».
□ 1/ Innovations sociales et citoyennes pour une société ouverte et créative
□ 2/ Chaîne alimentaire durable pour des aliments de qualité
x 3/ Activités maritimes pour une croissance bleue
□ 4/ Technologies pour la société numérique
□ 5/ Santé et bien être pour une meilleure qualité de vie
□ 6/ Technologies de pointe pour les applications industrielles
x 7/ Observation et ingénieries écologique et énergétique au service de l’environnement
□ Projet Blanc
- Préciser le sous-domaine correspondant :
3B Valorisation de la biomasse marine et biotechnologies
7A Observation, surveillance et gestion de l’environnement et des éco-systèmes et de leurs interactions.
Pour une plus ample présentation des DIS et des sous-domaines, merci de vous référer au Schéma régional de l'enseignement
supérieur et de la recherche disponible à l'adresse suivante : http://www.bretagne.fr/internet/upload/docs/application/pdf/2013-
11/sresr_version_finale.pdf
3- Présentation de l’établissement porteur (bénéficiaire de l’aide régionale)
- Établissement porteur du projet (implantation obligatoire sur le territoire régional) : UBO
- Ecole Doctorale : Ecole Doctorale des Sciences de la Mer (EDSM)
4- Identification du-de la responsable du projet (futur-e directeur-trice de
thèse)
- Nom et prénom : Paillard Christine
- Genre du-de la responsable du projet (F/H) : F
- e-mail : [e-mail]
- Téléphone : 0298498650
- Equipe de recherche encadrante (JE/EA/…) : LEMAR, Equipe Interactions Hôtes-Pathogènes du
LEMAR (UMR 6539) et Service d’Observation de l’OSU-IUEM
- Unité (U/UMR/USR /…) : LEMAR, UMR 6539
- Nombre HDR dans l'équipe d'accueil : 36
- Nombre de thèses en cours : 44
- Nombre de post-docs en cours : 25

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- Publications récentes du directeur-trice de thèse (nb total et 5 références max au cours des 5 dernières années) :
94 publications dans des revues à comité de lecture (88 articles et 1 chapitre, 6 actes de colloques), 187
conférences dont 21 conférences invitées. 36 publications depuis 2010. H=32.
http://scholar.google.fr/citations?user=3LhTnNAAAAAJ&hl=fr
BAUDOUX AC, HENDRIX RW, LANDER GC, BAILLY X, PODELL S, PAILLARD C, JOHNSON JE,
POTTER CS, CARRAGHER B, AZAM F. 2012. Genomic and functional analysis of Vibrio phage
SIO-2 reveals novel insights into ecology and evolution of marine siphoviruses. Environ Microbiol.
2012 Jan 9. doi: 10.1111/j.1462-2920.2011.02685.x. [Epub ahead of print]
ERAUSO G., LAKHAL L., BIDAULT-TOFFIN A., LE CHEVALIER P., BOULOC P., PAILLARD£. C.,
JACQ£ A., 2011. Evidence for the role of horizontal transfer in generating pVT1, a large mosaic
conjugative plasmid from the clam pathogen, Vibrio tapetis. PLoS ONE 6(2): e16759.
doi:10.1371/journal.pone.0016759
MADEC, S., PICHEREAU, V., JACQ, A., BOISSET, C., GUERARD, F., PAILLARD£, C., NICOLAS£, J.-
L., 2014. Characterization of the Secretomes of Two Vibrios Pathogenic to Mollusks, Plos One. Vol 9
(11). DOI: e113097 10.1371/journal.pone.0113097
PAILLARD, C., JEAN, F., FORD, S.E., POWELL, E.N., KLINCK, J.M., HOFMANN, E.E. AND FLYE-
SAINTE-MARIE, J. 2014. A theoretical individual-based model of Brown Ring Disease in Manila
clams, Venerupis philippinarum. Journal of Sea Research, 91: 15-34.
RODRIGUES S., PAILLARD C., DUFOUR A. AND BAZIRE A. 2015. Antibiofilm Activity of the Marine
Bacterium Pseudoalteromonas sp. 3J6 Against Vibrio tapetis, the Causative Agent of Brown Ring
Disease. Probiotics and Antimicrobial Proteins: Volume 7, Issue 1 (2015), Page 45-51
£. Auteurs ayant contribué de façon équivalente à cette publication.
- Co-directeur-trice de thèse (éventuellement) : Loïs Maignien-– Maitre de conférence, Chaire
CNRS EcoGenomique.
- Equipe de recherche co-encadrante (JE/EA/…) : Laboratoire de microbiologie des environnements
extrêmes, UMR6197 UBO-IFREMER.
Publications récentes du codirecteur-trice de thèse (nb total et 5 références max au cours des 5 dernières
années) :
19 publications dans des revues à comité de lecture
Chafee, Maignien, Simmons: The effects of low biomass on comparative shotgun metagenomics.. Environemen-
tal Microbiology, in press
Maignien L, DeForce E, Chafee ME, Eren AM, Simmons SL. 2014. Ecological succession and stochastic variation
in the assembly of Arabidopsis thaliana phyllosphere communities. mBio 5(1):e00682-13
Maignien, Parkes, Cragg, Niemann, Knittel, Coulon, Akhmetzhanov, Weaver, Boon. Anaerobic oxidation of me-
thane in hypersaline sediments. FEMS microbiology ecology, 2013. 83(1)
Reveillaud J, Maignien L, Eren AM, et al. (2014). Host-specificity among abundant and rare taxa in the sponge
microbiome. The ISME Journal 8, 1198-1209
A. Murat Eren, Loïs Maignien, Woo Jun Sul, Leslie G. Murphy, Sharon L. Grim, Hilary G. Morrison, Mitchell L. Sogin. Oligo-
typing: differentiating between closely related microbial taxa using 16S rRNA gene data
In Methods in Ecology and Evolution 4 (12). 2013
5- Présentation du projet (en langue française, 2 à 3 pages)
- Résumé du projet (15 lignes) :
Les Bactéries et Archées contrôlent le fonctionnement des écosystèmes marins de par leur rôle central dans la
production primaire chimio- et photo-trophique et dans les principaux cycles géochimiques de la colonne d’eau et
des sédiments. Le développement de techniques de séquençage haut débit de nouvelle génération, ainsi que les
outils d’analyses en bioinformatique et en écologie numérique permettent désormais de dresser un inventaire
quasi exhaustif de ces microorganismes, et de comprendre quels sont les paramètres environnementaux qui

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contrôlent la structure et la dynamique des communautés microbiennes marines. Ce projet de thèse propose de
mettre en œuvre ces approches moléculaires pour d’étudier la biodiversité fonctionnelle des bactéries et archées
de la colonne d’eau et du sédiment dans des stations instrumentées en Rade de Brest et lors de campagnes en Mer
d’Iroise. Les objectifs seront d’une part (1) de mieux comprendre le rôle des ces procaryotes dans le
fonctionnement de cet écosystème en lien avec les paramètres biotiques et physico-chimiques, et d’autre part (2)
d’identifier des procaryotes indicateurs de modifications biotiques ou physicochimiques, et (3) de développer des
approches expérimentales (incubations par marquage à l’isotope stable et mésocomes).
- Présentation détaillée du projet :
1-Contexte scientifique et socio-économique du projet :
Les Bactéries et Archées contrôlent le fonctionnement des écosystèmes marins de par leur rôle essentiel dans
la production primaire chimio- et photo-trophique et dans les principaux cycles géochimiques de la colonne d’eau
et des sédiments. L’extrême diversité taxonomique et métabolique des ces microorganismes, ainsi que leur faible
cultivabilité ont jusqu’à présent constitué un obstacle à l’étude de l’écologie de ces communautés, c’est à dire des
liens entre le fonctionnement des écosystèmes marins d’une part, et la structure et l’activité des communautés
microbiennes d’autre part. Cependant, le développement de techniques de séquençage haut débit de nouvelle
génération, ainsi que les outils d’analyses en bioinformatique et en écologie numérique permettent désormais de
dresser un inventaire quasi exhaustif de ces microorganismes, et de comprendre quels sont les paramètres
environnementaux qui contrôlent la structure et la dynamique des communautés microbiennes marines.
Dans un contexte de changement climatique, il existetrès peu de travaux de suivis à long terme des communautés
procaryotiques océaniques ou côtières. Des études pionnières montrent une saisonnalité et des patrons inter-
annuels dans les cycles des communautés microbienne océaniques (Giovannoni and Vergin, 2012), et côtières
(Cram et al., 2015). De récentes études rétrospectives de suivis à long terme (1961-2005), dans le sud de la Mer du
Nord (« Continuous Plankton Recorder » (CPR) ont permis de montrer un changement majeur de la composition
des communautés bactériennes ; en particulier une augmentation de l’abondance de la famille des Vibrionaceae,
y compris des agents pathogènes humains, associée significativement avec le réchauffement climatique (SST)
(Vezzuli et al., 2012; 2013). La connaissance approfondie du fonctionnement de ces communautés, de leurs
activités, de leurs dynamiques spatiales et temporelles, en relation avec les variations environnementales
naturelles (saisons, marée, lumière, etc.) et anthropogéniques (réchauffement, acidification, exploitation des
ressources marines), est essentielle pour la compréhension du fonctionnement des écosystèmes côtiers et la
prévision de leurs évolutions.
Le principal objectif du projet MicroObs consiste donc en la mise en place d’un observatoire des microorganismes
marins afin d’étudier la diversité, la dynamique et l’activité de ces communautés microbiennes en
fonction des paramètres environnementaux d’une part, et des changements climatiques et écologiques en cours
d’autre part. De plus, ce projet propose d’identifier et de quantifier les activités microbiennes ayant une
contribution importante au fonctionnement de l’écosystème marin côtier. Les données de cet observatoire
permettront de comprendre les patrons naturels de variations des communautés microbiennes, et ainsi de fournir
un fonctionnement de référence de l’écosystème côtier de la rade Brest. MicroObs sera composé de quatre
objectifs spécifiques qui permettront d’atteindre ce but ;
 Objectif spécifique 1 : Dynamique des communautés d’Archaea et de Bactéries
planctoniques. L’étudiant en doctorat assurera le suivi des communautés d’Archaea et de Bactéries marines en
utilisant les nouvelles méthodes d’écologie moléculaires basées sur le séquençage massif de banques ADN. Il sera
donc en charge de l’échantillonnage haute fréquence (hebdomadaire), de façon coordonnée avec l’observatoire
IUEM-OSU (station de St Anne de Porzic) afin de permettre une parfaite corrélation des données moléculaires
décrivant la diversité des microorganismes et des paramètres physico-chimiques issus de l’observatoire. La
structure des communautés microbiennes sera déterminée pour chaque point de cette série temporelle à l’aide du
séquençage massif de marqueurs taxonomique (gène de l’ARN ribosomal 16s). En générant plusieurs millions de
séquences d’ADN par échantillon, ces approches permettent pour la première fois une description précise et
représentative des communautés microbiennes marines. Ces données seront analysées à l’aide de pipelines
informatiques en bio-analyse et en écologie numériques implémentés au LM2E et sur le calculateur de
l’IFREMER (caparmor). En particulier, l’utilisation de méthodes d’analyse haute résolution (type Oligotyping)
permettra de détecter la présence d’écotypes microbiens, et donc comprendre la dynamique de ces communautés
au niveau sub-spécifique.

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 Objectif spécifique 2 : Diversité fonctionnelle des Bactéries et Archaea marines. La pluparts
des microorganismes marins procaryotes (>99%) n’ont pas encore été isolés. Cette absence de caractérisation
physiologique constitue un obstacle majeur pour la compréhension de leurs fonctions et de leurs contributions
aux écosystèmes côtiers. Le projet MicroObs propose d’utiliser les capacités des nouvelles plateforme de
séquençage afin d’accéder aux gènes fonctionnels de ces microorganismes, et par suite, de relier identité et
fonction des microorganismes incultivés marins dominants. L’analyse en diversité taxonomique proposé dans
l’objectif précédent permettra d’identifier les population microbiennes dominantes, ainsi que les moments clefs
de transition entre différents types de communautés. Pour ces points d’intérêt, l’étudiant réalisera le séquençage
des metagenomes des Archaea et Bactéries marines et tentera par des approches bioinformatiques d’identifier les
gènes fonctionnels et voix métaboliques caractéristiques de ces communautés. Nous nous intéresserons plus
particulièrement aux voix métaboliques impliquées dans le cycle de l’azote, ainsi qu’à la dynamique des ilots de
pathogenicité, qui sont deux paramètres importants du fonctionnement des écosystèmes côtiers.
 Objectif Spécifique 3 : Identification des de l’activité de microorganismes planctoniques.
Après avoir caractérisé la diversité taxonomique et fonctionnelle lors des objectifs précédents, le projet MicroObs
visera à identifier les acteur clefs de ces communautés en terme de productivité primaire et de recyclage des
nutriments azotés. Pour atteindre cet objectif, l’étudiant utilisera le marquage de la biomasse par isotope stable
(Stable isotope Probing, ou SIP). MicroObs propose d’étudier l’activité mixotrophique des microorganismes, à
savoir le mode de nutrition permettant à certains microorganismes marins de synthétiser à la fois la matière organique
à partir de l’énergie solaire ou chimique, mais aussi d’utiliser des composés organiques. Longtemps considérée
comme marginale dans la classification trophique binaire entre auto- et hétérotrophes, de récentes
observations ont pourtant montré que l’utilisation de différentes sources d’énergie est largement répandue.
Il apparaît donc que le comportement trophique des microorganismes marins s’apparente plus à un
continuum d’activité entre autotrophie et hétérotrophie strictes, avec un impact important sur le cycle du
carbone (Mitra et al., 2014). Cependant, les conditions environnementales régulant ces métabolismes
énergétiques, la diversité des microorganismes impliqués, ainsi que l’impact de cette activité sur les cycles
biogéochimiques, restent encore largement méconnus. L’incubation en mésocosme de communautés
microbiennes en présence de substrats inorganiques (13C et 15N) et organique (e.g. acides aminés) permettra
d’isoler l’ADN dense des microorganismes impliqués dans ces réactions. Nous pourrons ainsi identifier les
communautés microbiennes autotrophes et mixotrophes actives dans la colonne d’eau.
Objectif spécifique 4 : Mise en place d’un projet de science citoyenne associé à l’observatoire des
microorganismes. Dans un contexte de changement climatique et de perturbations des écosystèmes marins, la
diffusion des problématiques environnementales et l’implication d’acteurs non scientifiques nous paraissent
essentielles et parties intégrantes des activités d’un observatoire des microorganismes
 En tant que réfèrent pour les stations OSD (Ocean Sampling Day) de Brest, le doctorant organisera la
collecte d’échantillon d ‘eau de mer dans la rade de Brest et le parc marin d’Iroise par des volontaires non
scientifiques. Cette campagne aura lieu chaque année le jour du solstice d’été, de manière synchronisée avec les
autres stations OSD. Il supervisera le traitement de ces échantillons en laboratoire ouvert, ainsi que la collecte
des métadonnées environnementales associés. Cette initiative s’appuiera sur la logistique du projet OSD
(fourniture des kits d’échantillonnage, séquençage de l’ADN), ainsi que sur les services de communications de
l’Institut Universitaire Européen de la Mer. Outre la diffusion de problématiques scientifiques vers un large
publique, cet objectif vise également à sensibiliser et former l’étudiant aux actions de science citoyenne.
Références
Cram, J. A., C.-E. T. Chow, R. Sachdeva, D. M. Needham, A. E. Parada, J. A. Steele, and J. A. Fuhrman. 2015.
Seasonal and interannual variability of the marine bacterioplankton community throughout the water
column over ten years. The ISME journal 9:563-80.
Fuhrman, J. A., J. A. Cram, and D. M. Needham. 2015. Marine microbial community dynamics and their
ecological interpretation. Nature reviews. Microbiology 13:133-46.
Giovannoni, S. J., and K. L. Vergin. 2012. Seasonality in Ocean Microbial Communities. Science 335:671-676.
Vezzulli, L., I. Brettar, E. Pezzati, P. C. Reid, R. R. Colwell, M. G. Hofle, and C. Pruzzo. 2012. Long-term effects of
ocean warming on the prokaryotic community: evidence from the vibrios. Isme Journal 6:21-30.
Vezzulli, L., R. R. Colwell, and C. Pruzzo. 2013. Ocean Warming and Spread of Pathogenic Vibrios in the Aquatic
Environment. Microbial Ecology 65:817-825.
von Scheibner, M., P. Doerge, A. Biermann, U. Sommer, H.-G. Hoppe, and K. Juergens. 2014. Impact of warming

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on phyto-bacterioplankton coupling and bacterial community composition in experimental mesocosms.
Environmental Microbiology 16:718-733.
2-Hypothèse et questions posées, identification des points de blocages scientifiques que le travail de thèse se propose
de lever :
La principale innovation scientifique du projet MicroObs réside dans l’implémentation de méthode
EcoGenomique pour la compréhension des écosystèmes marins. Celles-ci comprennent entre autre le séquençage
massif de l’ADN environnemental sur les nouvelles plateformes haut-débit, ainsi que le traitement
bioininformaique et statistique de ces données moléculaire. De manière plus spécifique, l’approche du projet
MicroObs permet d’identifier la structure et dynamique des communautés microbiennes marine et comprendre
comment ces dernières répondent aux changements environnementaux naturels et anthropogéniques? (Objectif
1). Elle permet également d’Identifier les fonctions métaboliques des microorganismes au sein des écosystèmes
marins (objectif 2), et enfin d’identifier les principaux acteurs microbien de ces écosystèmes (producteur
primaires et effecteurs du cycle de l’azote – objectif 3)
3-Approche méthodologique et technique envisagée :
Le travail expérimental sera reparti sur les deux laboratoires (Mesure d’activité au LEMAR, isolement
nouvelles souches au LM2E et SIP/métagenomiques au LM2E/LEMAR). Le doctorant reprendra les protocoles
d’échantillonnage, d’extraction, et de méta-barcoding des Archaea et Bactéries déjà récemment mis en place au
sein du projet inter-axes du Labexmer « Marine Microbial BIodiversity PATterns , M2BIPAT.
Pour les expériences de metabarcoding, le gène marqueur de la petite sous unité de l’ARN ribosomal des Bactéries
et des Archaea sera amplifié par PCR (amplification des parties hypervariables V4-V5) après extraction de l’ADN
environnemental. Le séquençage de ces banques de marqueurs sera réalisée sur plateforme illumina MiSeq. Le
traitement des données sera effectué sur le serveur bioinformatique de L’IUEM ainsi que sur le calculateur
CAPARMOR, en collaboration avec l’équipe bioinformatique de l’IFREMER. L’étudiant pourra utiliser les
pipeline bioinformatiques existant (Mothur, Qiime) et sera amené à implémenter les méthodes statistiques
d’écologie numérique pour l’interprétation de ces données (regroupement de communauté par similarité,
détection de bio marqueurs, test de corrélations aux variables environnementales, analyse de cooccurrence en
réseaux, etc.).
Le séquençage des métagénomes des communautés types sera réalisé sur plateforme illumina HiSeq,
L’identification des gènes et voix métaboliques sera effectuée par annotation direct des séquences par des
plateformes informatiques spécialisées (EBI-EMG, MG-RAST, JGI-MG) ou après reconstruction de fragments
génomiques par assemblage. Les expériences de marquage aux isotopes stables seront réalisées en mésocosmes
en présence de substrats marqués aux isotopes stables 13C et 15N. L’ADN dense issu de l’incorporation de ces
substrats dans la biomasse sera isolé par centrifugation sur gradient de densité et permettra d’identifier la
fraction active des microorganismes pour les activités testées par l’utilisation des approches métabarcoding et
métagénomiques présentées précédemment.
Enfin, l’organisation d’une journée annuelle d’échantillonnage en Rade de Brest et Mer d’Iroise par un large
publique sera organisée en coordination avec le projet européen « Ocean Sampling Day ». Cette journée (solstice
d’été) sera précédée par une campagne de communication et d’appels à volontaire, avec l’appui du service de
communication de l’IUEM. Des kits d’échantillonnages (dons de partenaires scientifiques industriels d’OSD)
seront distribués aux participants, qui seront invités à venir traiter leurs prélèvements en laboratoire scientifique.
Les échantillons issus de cette initiative en science citoyenne seront transmis au responsable technique OSD
(institut Max Planck pour la microbiologie marine, Bremen) et seront séquencés comme les 150 autres stations
OSD.
4-Profil du candidat (compétences scientifiques et techniques requises) :
Microbiologiste, compétence en biologie moléculaire et en analyses bioinformatique. Connaissances en écologie marine.
5-Positionnement et environnement scientifique dans le contexte régional, et le cas échéant, national et international :
Ce projet prend toute sa place au cœur des dynamiques engendrées par la création du LabexMER « a changing ocean »
en 2011 ; il traite de l’évolution des communautés marines liées aux changements climatiques et s’appuie sur une
environnement pluridisciplinaire liant Océanographie physique, écologie marine, microbiologie et génomique.