FUNGAL BIOGEOGRAPHY IN THE WESTERN SWISS ALPS: Linking high-throughput sequencing and spatial ecology to characterise the diversity, distribution patterns and environmental niche of soil fungi along environmental gradients

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ID Serval
serval:BIB_7D11EC9E2088
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
FUNGAL BIOGEOGRAPHY IN THE WESTERN SWISS ALPS: Linking high-throughput sequencing and spatial ecology to characterise the diversity, distribution patterns and environmental niche of soil fungi along environmental gradients
Auteur(s)
PINTO-FIGUEROA Eric Alejandro
Directeur(s)
Guisan Antoine
Codirecteur(s)
van der Meer Jan Roelof
Détails de l'institution
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Adresse
Faculté de biologie et de médecine
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2017
Langue
anglais
Résumé
Les champignons sont une composante essentielle de la biodiversité du sol, par leur influence sur les plantes, les animaux et sur la maintenance globale des écosystèmes terrestres. Les récentes avancées technologiques en séquençage et métagénomique ont révélé une biodiversité fongique insoupçonnée. La reconsidération de cette diversité invisible a suscité un regain d'intérêt pour les recherches sur la distribution géographique des champignons, questionnant si les unités taxonomiques opérationnelles fongiques (UTO) suivent des tendances biogéographiques et auquel cas, quels en seraient les facteurs sous-jacents (p. ex. abiotiques, biotiques, historiques et humains). Cette thèse aborde ces questions de biogéographie fongique en combinant séquençage haut débit (Illumina) avec un design d'échantillonnage spatialement explicite et des analyses multivariées. Elle a trois objectifs spécifiques : i) obtenir une évaluation globale de la biodiversité fongique des sols de toute une région, ii) examiner les patrons de diversité fongique des sols et les facteurs sous-jacents à leur distribution le long de larges gradients environnementaux, et iii) examiner la niche environnementale des champignons du sol. Pour atteindre ces objectifs, des échantillonnages ont été effectués le long d'un large gradient altitudinal dans les Alpes suisse-occidentales, fournissant du matériel pour l'ADN du sol et pour les analyses physico-chimiques. En utilisant une méthode optimisée d'amplification par PCR d'espaceurs internes transcrits (ITS1) compatible avec le séquençage Illumina, et en implémentant une méthode in silico pour traiter les données de séquençage, nous avons obtenu un jeu de données à large échelle, recouvrant 103 sites distribués sur une surface de 700
L'élaboration de théories et de tests d'hypothèses avec des données fongiques provenant de séquençages Illumina est un défi complexe. En reportant la richesse et la beta-diversité observée à différents niveaux taxonomiques, nous avons montré que même des niveaux plus grossiers présentent suffisamment d'information pour décrire la biogéographie des champignons. Cela suggère que différents niveaux opérationnels devraient être considérés pour évaluer la diversité avec des jeux de données d'UTO (Chapitre 2). Nous avons étudié la distribution de la diversité fongique le long du gradient altitudinal et trouvé que la communauté fongique est dominée par quatre genres mais qu'une grande proportion de taxons (65%) restait indéterminée. Nous avons aussi observé une tendance antagoniste entre une diminution monotonique des Glomeromycota et des Ascomycota et une augmentation de la richesse en Basidiomycota. La beta- et l'alpha- diversités sont structurées selon des facteurs climatiques et édaphiques distincts, où pH et température ont le plus d'effet. Cela suggère qu'il y a plusieurs facteurs expliquant conjointement la distribution et la diversité des champignons. (Chapitre 3). Les règles d'assemblages structurant les communautés fongiques le long du gradient altitudinal sont peu claires. Nous avons donc comparé les communautés fongiques de part et d'autres de la limite des arbres, une frontière naturelle pour la végétation le long des gradients altitudinaux. Nos résultats suggèrent que les processus de niche sont des facteurs majeurs de la variation au sein des communautés fongiques au-dessus de la limite d'arbres et que les assemblages de champignons sont caractérisés par différentes contributions relatives de facteurs abiotiques et biotiques (Chapitre 4). Finalement, pour comprendre la niche environnementale d'un groupe fongique cryptique, nous nous sommes focalisés sur les Archéorhizomycètes (Arm), une classe de champignons très commune, présente dans diverses communautés de sol. Nous avons proposé une approche basée sur la niche afin d'identifier les facteurs environnementaux qui façonnent la distribution de cette classe fongique. L'ajustement de modèles statistiques a révélé que tant des facteurs climatiques qu'édaphiques expliquent la variation de l'abondance des Arm. De plus, une corrélation significative avec la présence de champignons saprotrophiques suggère que les Arm sont saprobes et obtiennent leur source de carbone grâce à d'autres champignons. Plus intéressant, une corrélation avec des phyllosilicates indique de potentielles possibilités de météorisation biologique (Chapitre 5). Enfin, cette thèse présente les perspectives futures sur cette biogéographie fongique émergente, dans un contexte où les techniques de séquençage évoluent rapidement. Elle suggère que la prochaine étape pourrait être l'usage du scannage ADN pour la gestion de la biodiversité du sol. L'utilisation de telles données dans des modèles de niche et de communautés permettrait d'anticiper la réponse de la biodiversité fongique face aux changements globaux. 
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Fungi are an essential component of soil biodiversity as they influence plants, animais and the overall maintenance of terrestrial ecosystems. Recent advances in sequencing and metagenomics technologies have revealed a significant fungal diversity, previously undetected. This new view of the unseen fungal diversity has stimulated a renewed interest in investigating the géographie distribution of fungi, questioning whether fungal operational taxonomic units (OTU) exhibit biogeographic patterns and, if so, what the underlying factors would be (e.g. abiotic, biotic, historical and human), This thesis tackled these fungal biogeography questions by linking high throughput génération sequencing (Illumina) with spatially-explicit sampling design and multivariate analyses. In particular, this thesis has three specific objectives: i) to obtain a comprehensive assessment of the soil fungal biodiversity across a whole région, ii) to evaluate the diversity patterns of soil fungi and underlying factors along wide environmental gradients, and iii) to examine the environmental niche of soil fungi. To accomplish these objectives, sampling campaigns were performed along a wide élévation gradient in the Western Swiss Alps, providing material for soil DNA and soil physicochemical analyses. Using an optimised method of PCR amplification of the interna! transcribed spacer (ITS1) fungal région suitable for HiSeq Illumina sequencing, and implementing an in-silico approach for processing Illumina output, we obtained a large-scale fungal dataset of samples from 103 sites distributed across a 700 km2 surface.
The development of a theory and testing hypotheses using fungal data from massive Illumina sequencing is a complex challenge. By examining the richness and beta diversity observed at différent taxonomic levels of OTUs, we showed that even coarser operational taxonomic levels contain information to unravel fungal géographie patterns, suggesting that différent operational levels should be deemed to evaluate diversity patterns using OTUs datasets (Chapter 2). We investigated global diversity patterns of fungi along the elevational gradient. We found that soil fungal communities were dominated by four généra, but with a significant remaining proportion (65%) of undetermined fungal taxa. We also described counteracting patterns of monotonically decreasing Glomeromycota and Ascomycota, but of increasing Basidiomycota richness. Beta and alpha diversity were structured by distinct climatic and local soil factors, with main effects being pH and température. Overall, this suggests that there are différent factors jointly governing the distribution and diversity of fungi (Chapter 3). Understanding the assembly processes governing fungal communities along the elevational gradient are unclear. We thus examined fungal communities below and above treeline, which is a natural climatic boundary of végétation along élévation gradients. Our results suggest that niche-based processes are important drivers of fungal community variation across the treeline, and that fungal assemblages are characterised by différent relative contributions of abiotic and biotic factors (Chapter 4). Lastly, to understand the environmental niche of a cryptic fungal group, we focused on Archaeorhizomycetes (Arm), a widespread fungal class with a dominant presence in various soil fungal communities. Fitted statistical models revealed that both climatic and edaphic factors contribute to explaining the variation in Arm abundance. Moreover, we found a significant co-occurrence pattern with saprotrophic fungi. These results suggest that Arm is a saprobe, which obtains carbon sources from other fungal decaying activities. Most interestingly, a corrélation with phyllosilicates indicates potential weathering capacities (Chapter 5). Finally, this thesis présents the future perspectives for the emerging fungal biogeography, in the context of rapidly evolving sequencing technologies. It suggests as a next step the potential use of DNA barcoding for monitoring and management of soil biodiversity, and the possibilités of using data from such studies to run niche-based and community modelling analyses to anticipate the response of fungal biodiversity in the face of global changes.
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Los hongos son un componente esencial de la biodiversidad del suelo ya que influyen en las plantas, los animales y el mantenimiento global de los ecosistemas terrestres. Los recientes avances en las tecnologîas de secuenciaciòn metagenòmica han puesto de manifiesto una gran biodiversidad fùngica, no detectada previamente. Esta nueva vision de la 'invisible' diversidad fùngica ha estimulado un interés renovado en investigar la distribucion geogràfica de los hongos, cuestionando si las operational taxonomic units (OTU) fùngicas exhiben patrones biogeogràficos y, en caso afirmativo, dcuàles serian los factores subyacentes (por ejemplo, abiòticos, biòticos, històrica y humana). Esta tesis aborda estas cuestiones de biogeografîa de hongos mediante la vinculaciòn de secuenciaciòn de alto rendimiento (Illumina) con un diseno de muestreo espacialmente explicita y anàlisis multivariado. En particular, esta tesis tiene très objetivos especificos: i) obtener una evaluaciòn global de la biodiversidad fùngica del suelo a través de toda una région, ii) evaluar los patrones de diversidad de hongos del suelo y los factores que subyacen a lo largo de gradientes ambientales de ancho, y iii) examinar el nicho ambiental de hongos del suelo. Para lograr estos objetivos, campanas de muestreo se realizaron a lo largo de un amplio gradiente de elevaciòn en los Alpes suizos occidental, suministrando ADN del suelo y anàlisis fisico-qui'micos del suelo. El uso de un método optimizado de la amplificaciòn por PCR del internai trasnscribed spacer (ITS1) région adecuados para la secuenciaciòn HiSeq Illumina, y la aplicaciòn de un enfoque in-silico para el procesamiento de secuencias Illumina, se obtuvo un conjunto de datos de hongos a gran escala de muestras de 103 sitios distribuidos a través de una 700 km2 de superficie.
El desarrollo de la teoria y la prueba de hipòtesis a partir de datos de secuenciaciòn masiva de hongos Illumina es un desafio complejo. Mediante el examen de riqueza y beta diversidad se observé que cuando se consideran diferentes niveles taxonòmicos, se comprobò que los niveles taxonòmicos - familia y genero - contienen suficiente informaciòn para dilucidar los patrones geogréficos de hongos, lo que sugiere que los diferentes niveles de operaciòn deben ser considerados para evaluar patrones de diversidad utilizando datos OTU (Capitulo 2). Se investigaron los patrones globales de diversidad de hongos a lo largo del gradiente de elevaciòn. Se encontrò que la comunidad fùngica estàn dominadas por cuatro généras, pero con una proporciòn restante de gran tamano (65%) de los taxones de hongos indeterminado. También describimos los patrones de contrapuestos: la disminuciòn monòtona de Glomeromycota y Ascomycota, pero aumento de Basidiomycota. Beta y alfa diversidad se estructuraron por distintos factores del suelo y climaticos locales, con los principales influencias de pH y temperatura. En général, esto sugiere que hay varios factores que regulan conjuntamente la distribucion y la diversidad de hongos (Capitulo 3). La comprensiòn de los procesos que rigen el ensamblaje de comunidades de hongos a lo largo del gradiente de elevaciòn no estàn claros. Asi, nosotros examinamos las comunidades de hongos por debajo y encima de li'nea de àrboles, una frontera climética natural de la vegetaciòn a lo largo de gradientes de elevaciòn. Nuestros resultados sugieren que los procesos deterministas (nicho) son los principales causantes de la variaciòn de la comunidad de hongos a través de la linea de àrboles, y que las asociaciones de hongos se caracterizan por diferentes contribuciones relativas de abiòtico y factores biòticos (Capitulo 4). Por ùltimo, para entender el nicho ecològico de un grupo de hongos cripticos, nos centramos en Archaeorhizomycetes (Arm), una clase de hongos generalizada con presencia dominante en diversas comunidades de hongos del suelo. Modelos estadîsticos con Arm revelaron que tanto los factores climàticos y edàficos contribuyen a explicar la variaciòn en la abundancia del brazo. Por otra parte, hemos encontrado un patron de co-ocurrencia significativa con hongos saprotròficos. Estos resultados sugieren que Arm son saprobios, que obtienen sus fuentes de carbono de otras actividades en descomposiciòn por hongos. Lo màs interesante, una correlaciòn con filosilicatos indica potenciales capacidades de meteorizaciòn biològica (capitulo 5).Por ùltimo, esta tesis présenta las futuras perspectivas de la emergente biogeografîa de hongos, en el contexto de ràpida evoluciòn de las tecnologîas de secuenciaciòn. Se sugiere como siguientes pasos, el uso potencial de secuenciaciòn de ADN para la monitorizaciòn y gestion de la biodiversidad del suelo, y las posibilidades de utilizar los datos de estos estudios para desarrollar y analizar modelos de nichos y comunidades para anticipar la respuesta de la biodiversidad fùngica en la cara de los cambios globales.
Création de la notice
04/09/2018 8:12
Dernière modification de la notice
20/08/2019 14:38
Données d'usage