Microbiome engineering is a promising strategy for resolving imminent health and environmental, challenges, such as global soil degradation, but its progress is hindered by our limited understanding of microbi9me dynamics. For example, a simple approach to modify resident microbiomes involves their inoculation with single species or whole corp.munities, but the attempts to do so have yielded varying success. The major aims of this project thus were to develop a representative system to study soil microbiomes in vitro and to identify the factors controlling inoculant establishment. I designed two model soil communities of distinct diversity; a bottom-up assembled community of 21 soil bacterial isolates (named SynCom) and a mixture of all microbial cells washed from top soil (named Soi/Corn). Both communities assembled reproducibly and reached stable compositions after 2-6 months incubation in soil microcosms, with cell densities and compositions similar to natural soils. I used these assembled communities and inoculated them with four different strains under three nutrient availability conditions: low, medium and high. All inoculants mostly failed to proliferate within stable communities with low remaining nutrients, but did slightly better under nutrient competition in growing communities (medium condition). When inoculated alone (high condition), all inoculants except one proliferated in the soil, indicating that their limited growth in presence of resident community is the result of nutrient limitations. When adding an inoculant-selective nutrient, a drastic increase of inoculant proliferation was obtained even in presence of resident community. Interestingly, residents profited from inoculant cells by utilising their leaked metabolites. Finally, I studied the outcome of mergers of SoilCom and LakeCom, a lake water µ1icrobiome incubated in soil microcosms, with soil-grown SynComs. In both cases, merged SynCom declined rapidly, but caused merged community size increase and shifted compositional trajectories. This showed that transient exposure to inoculants can have long-term effects. Globally, the compositions of all communities, merged or not, resembled those of natural soils, due to the selection imposed by the soil microcosms. In conclusion, I showed that representative and controllable soil microbiomes can be reconstituted in sterile microcosms and that nutrient niche engineering can improve inoculant establishment. Temporary inoculant and transplant integration in combination with environmental selection can be adapted for large-scale microbiome manipulations and for improving microbiome engineering strategies.
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La modification des microbiomes est une stratégie prometteuse pour résoudre les problèmes imminents de santé et d'environnement, tels que la dégradation des sols à l'échelle mondiale, mais ses progrès sont freinés par notre compréhension limitée de la dynamique des microbiomes. Par exemple, une approche simple pour modifier les microbiomes existants consiste à leur inoculer des espèces uniques ou des communautés entières, mais les tentatives en ce sens ont donné des résultats variables. Les principaux objectifs de ce projet étaient donc de développer un système représentatif pour étudier les microbiomes du sol in vitro et d'identifier les facteurs contrôlant l'établissement des inoculants. J'ai conçu deux communautés modèles de sol présentant une diversité distincte : une communauté assemblée de bas en haut à partir de 21 isolats bactériens du sol (appelée SynCom) et un mélange de, toutes les cellules microbiennes lavées du sol supérieur (appelée Soi/Cam). Les deux communautés se sont assemblées de manière reproductible et ont atteint des compositions stables après 2 à 6 mois d'incubation dans des microcosmes de sol, avec des densités cellulaires et des compositions similaires à celles des sols naturels. J'ai utilisé ces communautés assemblées et je les ai inoculées avec quatre souches différentes dans trois conditions de disponibilité des nutriments: ible, moyenne et élevée. La plupart des inoculants n'ont pas réussi à proliférer dans les communautés stables avec peu de nutriments restants, mais ont obtenu de meilleurs résultats dans les communautés en croissance (condition moyenne) lorsque les nutriments étaient en compétition. Lorsqu'ils ont été inoculés seuls (condition élevée), tous les inoculants, sauf un, ont proliféré dans le sol, ce qui indique que leur croissance limitée en présence de la communauté résidente est le résultat de limitations en nutriments. L'ajout d'un nutriment sélectif pour les inoculants a permis d'augmenter considérablement la prolifération des inoculants, même en présence de la communauté résidente. Il est intéressant de noter que les résidents ont profité des cellules inoculantes en utilisant leurs métabolites excrétés. Enfin, j'ai étudié le résultat des fusions de SoilCom et LakeCom, un microbiome d'eau de lac incubé dans des microcosmes de sol, avec des SynComs cultivés dans le sol. Dans les deux cas, les SynCom fusionnés ont rapidement décliné, mais ont entraîné une augmentation de la taille de la communauté fusionnée et ont modifié lei trajectoires de composition. Cela montre qu'une exposition transitoire aux inoculants peut avoir des effets à long terme. Globalement, les compositions de toutes les communautés, fusionnées ou non, ressemblaient àcelles des sols naturels, en raison de la sélection imposée par les microcosmes de sol. En conclusion, j'ai montré que des microbiomes de sol représentatifs et contrôlables peuvent être reconstitués dans des microcosmes stériles et que l'ingénierie des niches nutritives peut améliorer·l'établissement des inoculants. L'intégration temporaire d'inoculants et de greffes, combinée à la sélection environnementale, peut être adaptée aux manipulations du microbiome à grande échelle et à l'amélioration des stratégies d'ingénierie du microbiome.