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Mitchell, Edward
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Mitchell, Edward
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edward.mitchell@unine.ch
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- PublicationAccès libreExploration and characterization of "Amoebozoa" diversity and investigation of their diversity patterns at regional and global scales(2020)
; ; La diversité mondiale des eucaryotes est dominée par des organismes (principalement) unicellulaires appelés protistes. Parmi eux, les Amoebozoa sont l'un des groupes les plus abondants, diversifiés et caractéristiques du sol, jouant ainsi des rôles importants dans le fonctionnement des écosystèmes. Cependant, leur étude a été entravée par la difficulté de les détecter et le manque de traits morphologiques stables dans la plupart des groupes. Toutefois, certains amibozoaires comme les Hyalospheniformes (Arcellinida) produisent une thèque (c.-à-d. une coquille) caractéristique qui facilite leur identification, et sont donc considérées comme un groupe modèle approprié pour étudier les schémas de répartition de la diversité. Le développement récent du barcoding moléculaire a considérablement aidé pour l’identification taxonomique, tandis que le métabarcoding a permis de révéler la composition des communautés microbiennes sans biais d'observation et de culture. Ces méthodes se sont révélées efficaces pour plusieurs groupes microbiens, mais seulement quelques études ont été conçues pour les Amoebozoa et les protocoles disponibles sont encore assez rares. Les objectifs de ma thèse étaient alors 1) améliorer et développer des méthodes moléculaires pour étudier la diversité et l'écologie des amibozoaires, 2) estimer la diversité taxonomique et fonctionnelle présente dans le sol, 3) améliorer la taxonomie et phylogénie de cette diversité afin d'établir une base solide pour de futures recherches et 4) caractériser les facteurs écologiques susceptibles d'influencer la diversité microbienne à l'échelle locale, continentale et mondiale. Nous avons d'abord identifié un nouveau marqueur moléculaire pour étudier plusieurs groupes d’arcellinides, qui s'est révélé efficace pour discriminer des taxons proches et étudier simultanément les relations phylogénétiques profondes entre des taxons éloignés (chapitre 2). De plus, nous avons également adapté un protocole de métabarcoding pour étudier le genre Nebela avec des amorces COI spécifiques et une résolution taxonomique fine (chapitre 6). Ensuite, nous avons isolé, cultivé et décrit le premier membre d'un clade environnemental d’amibozoaires évolutivement très divergent (chapitre 3). Cette amibe, l'une des plus petites espèces d'amibes décrites, présente un cycle de vie unique avec une alternance de trophozoïtes actifs phagotrophes et de ramifications osmotrophes ressemblant aux champignons. Sa présence a été fréquemment reportée dans de nombreuses études de métabarcoding du sol, mais cet organisme n'avait jamais été caractérisé auparavant. En revanche, les Hyalospheniformes sont connus depuis les travaux d’Ehrenberg au XIXe siècle. Cependant, leur diversité au niveau de l’espèce reste mal caractérisée. Dans le chapitre 4, nous avons montré que l'espèce emblématique d’amibe à thèque, Nebela militaris, n'appartenait pas au genre Nebela, mais constituait une entité distincte dans l'arbre des Hyalospheniformes. Par conséquent, nous avons érigé le nouveau genre Alabasta pour cette espèce (chapitre 4). De plus, nous avons montré que la diversité des Hyalospheniformes avait été largement sous-estimée. En effet, nos résultats morphologiques et moléculaires ont révélé la présence de plusieurs espèces au sein des genres Apodera, Alocodera et Padaungiella. Cette nouvelle diversité a des impacts sur la biogéographie microbienne, car Apodera vas et Alocodera cockayni étaient auparavant considérées comme deux espèces non-cosmopolites avec des aires de répartition géographique très étendues et de grandes tolérances écologiques. Par conséquent, nous avons montré que la situation était beaucoup plus complexe, suggérant l'existence d'endémismes locaux étroits et de spécialistes écologiques, à l'instar des genres Hyalosphenia et Nebela (chapitre 5). Finalement, nous avons exploré la diversité du genre Nebela le long d’un gradient d’élévation (chapitre 6). Nous avons observé une diminution de l’abondance et de la diversité en haute altitude ce qui correspond à un effet typique de « milieu de domaine ». Notre étude a également révélé plusieurs phylotypes inconnus limités à de hautes altitudes qui semblent présenter une exclusion réciproque avec des taxons généralistes présents à des altitudes inférieures. En conclusion, cette thèse met en évidence que des méthodes moléculaires associées à des observations morphologiques robustes sont efficaces pour révéler et décrire la diversité des Amoebozoa. De plus, ces organismes microbiens possèdent des schémas biogéographiques et macro-écologiques similaires aux animaux, plantes et champignons, dès lors que ces groupes sont étudiés au même rang taxonomique, c'est-à-dire au niveau de l'espèce. ABSTRACT The world eukaryotic diversity is dominated by (mostly) single-celled organisms referred to as protists. Among them, the Amoebozoa are one of the most numerous, diverse and characteristic groups in soil, thus playing important roles in ecosystem functioning. However, their study has been impeded by the difficulty in detecting them and the lack of stable morphological traits in most groups. Nevertheless, some amoebozoans such as the Hyalospheniformes (Arcellinida) are characterized by a self-constructed test (i.e. shell) which facilitates their identification, and are then considered as a suitable model group for investigating diversity patterns of repartition. The recent development of DNA barcoding has helped considerably taxonomic identification, whereas metabarcoding has allowed revealing microbial community composition without observational and cultivation biases. These methods have proved efficient for several microbial groups, but only few studies have been designed for Amoebozoa and available protocols are still rather scarce. The aims of my thesis were then to 1) improve and develop molecular methods to study the amoebozoan diversity and ecology, 2) estimate their taxonomic and functional diversity in the soil, 3) improve the taxonomic and phylogenetic frame for this diversity in order to build a sound basis for further research and 4) characterize the ecological drivers which are likely to influence microbial diversity at local, continental and global scales. We first identified a new molecular marker to survey arcellinids taxa, which proved to be efficient for discriminating closely-related taxa and simultaneously investigating deep relationships among distant taxa (Chapter 2). In addition, we also adapted a metabarcoding protocol with specific COI primers to survey the diversity within the genus Nebela at a fine taxonomical resolution (Chapter 6). Then, we isolated, cultivated and described the first member of a deep-branching environmental clade of Amoebozoa (Chapter 3). This amoeba, one of the smallest amoeboid species described, presents a unique life cycle with an alternation of phagotrophic active trophozoites and osmotrophic fungi-like ramifications. Its presence has been pervasively reported in many soil metabarcoding studies, but this organism had never been characterized. By contrast, Hyalospheniformes are known since the works of Ehrenberg in the 19th century. However, their diversity at the species level remains poorly characterized. In chapter 4, we showed that the iconic testate amoeba species Nebela militaris did not belong to genus Nebela but branched as a separate entity in the Hyalospheniformes tree. Therefore, we erected the new genus Alabasta for this species (Chapter 4). In addition, we demonstrated that Hyalospheniformes diversity had been greatly underestimated. Indeed, our morphological and molecular results have revealed the presence for several species within the genera Apodera, Alocodera and Padaungiella. This new diversity has implications on microbial biogeography as Apodera vas and Alocodera cockayni were previously considered as two non-cosmopolite species with very broad geographical ranges and large ecological tolerances. Furthermore, we showed that the situation was far more complex, suggesting the existence of narrow local endemisms and ecological specialists, similarly to genera Hyalosphenia and Nebela (Chapter 5). Finally, we explored the diversity patterns of the genus Nebela along an elevation gradient (Chapter 6). We observed a decrease of abundance and diversity in high elevation corresponding to a typical mid-domain effect. Our study also revealed several unknown phylotypes restricted to the higher elevation that seemed to present competitive exclusion with the generalist taxa from lower elevation. In conclusion, this thesis highlights that molecular methods associated to robust morphological observations are efficient to reveal and describe the diversity of Amoebozoa. Furthermore, these microbial organisms display biogeographical and macroecological patterns similarly to animals, plants and fungi, when all groups are studied at the same taxonomical rank, i.e. species level. - PublicationAccès libreLa gestion durable des sols agricoles: sécuriser les démarches ou légitimer les controverses ? L’exemple des politiques agroenvironnementales autour de l’érosion hydrique des sols arables en Suisse(2018)
; ; Cette recherche interdisciplinaire (sciences naturelles – sciences politiques et sociales) porte sur la thématique de la gestion durable des sols agricoles. Plus spécifiquement, elle s’est focalisée sur les politiques environnementales et agricoles suisses autour de la protection qualitative des sols et de la lutte contre de l’érosion hydrique des sols arables. L’étude a abouti à une question adressée aux experts scientifiques et administratifs, et vise une réflexion sur les approches dominantes de la protection des sols en Suisse et à l’échelle globale : face aux constats d’échec des politiques agroenvironnementales, faut- il continuer comme le soutien l’ONU et la FAO à persévérer dans une unique stratégie de « sécurisation » de l’environnement et des sols, synonyme d’innovations techniques qu’il faut parvenir à faire appliquer, ou faut-il plutôt miser sur le développement de nouveaux espaces de débats et de processus décisionnels sur la base d’innovations sociales et politiques ? La révolution industrielle et agricole des 19e et 20e siècles a bouleversé la société européenne et le monde agricole. Cela a conduit notamment à une intensification et à une rationalisation des pratiques agricoles et de l’aménagement de l’espace rural, causes les plus évidentes de la dégradation des sols. Ce constat émis par les scientifiques des sols a alerté l’ONU dès les années 1950 qui y a vu un enjeu capital pour la sécurité alimentaire mondiale. Avec les experts scientifiques comme alliés, cette organisation a développé au début des années 2000 des cadres d’analyses autour des concepts de services écosystémiques ou d’intensification durable de la production agricole, ainsi que des lignes d’action qui ont très fortement influencé les recherches en sciences environnementales et les programmes des administrations étatiques occidentales. En Suisse, les experts des sols ont tiré la sonnette d’alarme dès les années 60- 70 et ont œuvré principalement à travers la Société suisse de pédologie (SSP) pour que le problème de la destruction et de la dégradation des sols soit cadré dans des bases légales. Pionnières en la matière, les autorités suisses ont inscrit la conservation à long terme de la fertilité des sols dès 1983 dans la Loi sur la protection de l’environnement (LPE), puis la gestion durable des ressources durant les années 1990 dans la Loi sur l’agriculture (LAgr). Durant la dernière décennie, sous l’impulsion de la FAO et de l’International technical panel on soils (ITPS), l’Office fédéral de l’environnement (OFEV) a soutenu un changement de paradigme de la protection des sols orienté notamment sur un couplage des pratiques agricoles durables et des fonctions des sols : le function-based decision making. Après 20 ans de mise en œuvre de la LPE-OSol 98 et de la LAgr-OPD 98, le constat demeure mitigé en matière de dégradation des sols. D’un côté il est raisonnable d’affirmer que sans ces instruments, l’état de fertilité (selon la définition de l’OSol) des sols serait pire aujourd’hui. De l’autre, la dégradation et de l’érosion se poursuivent à des degrés très divers. L’OFEV et l’Office fédéral de l’agriculture (OFAG) s’accordent à dire dans un rapport, dix-huit ans après l’entrée en vigueur des textes de loi, que les objectifs agroenvironnementaux n’ont pas été atteints. Ces instruments d’action publique, construits par les experts scientifiques et politico-administratifs, les acteurs du monde agricole et les élus politiques, n’ont pas généré les effets escomptés. Cette étude a donc cherché à comprendre pourquoi, en s’intéressant au problème de l’érosion, vécu sur le terrain notamment par les agriculteurs, les conseillers agricoles, ou les employés des administrations cantonales, et décrit par la recherche scientifique et les rapports nationaux et internationaux. Elle s’est également penchée sur la manière dont les scientifiques ont abordé ce problème et les limites de leur expertise. Finalement, elle a analysé comment les bases légales définissent le problème, comment elles ont été construites, mises en œuvre et évaluées. Au final, 67 entretiens et 15 observations ont été effectués, et une centaine d’articles et de rapports ont été parcourus. Cette enquête ethnographique aboutit au constat que l’érosion des sols agricoles n’est pas qu’un problème écologique et agronomique, mais un problème socio- environnemental comportant des dimensions économiques, sociales, administratives, politiques et culturelles. Pourtant les porte-paroles et le cadrage historique dominant légitimé tant au niveau international que national est celui des sciences environnementales et techniques qui ont avant tout considéré le problème de la dégradation des sols cultivés sous l’angle des effets sur la productivité agricole et de la prévention des risques (notamment érosif), et dont l’approche principale vise aujourd’hui à développer des modèles numériques et des innovations techniques qu’il faut parvenir à transférer aux destinataires de ces mesures. Cette expertise scientifico-technique qui s’affiche pourtant publiquement comme voulant être rationnelle et efficace est, face à l’étude et à la gestion des problèmes environnementaux, pétrie d’incertitudes, de controverses et de manque d’effectivité chronique de mise en œuvre. Dans le cas de l’érosion et de la dégradation des sols, les scientifiques eux-mêmes s’accordent à dire qu’ils ne sont pas parvenus à répondre aux questions fondamentales de leur discipline. En Suisse, les entretiens avec les divers acteurs impliqués révèlent qu’il demeure des zones d’ombre majeures de l’expertise scientifique autour de l’érosion hydrique des sols agricoles : l’apport des réflexions et des connaissances en sciences sociales et politiques ; des énoncés scientifiques socio-économiques concrets sur les impacts de la libéralisation des marchés sur les pratiques agricoles et sur l’état de l’environnement ; des énoncés scientifiques concrets sur les effets du développement territorial et des améliorations foncières sur la dégradation et l’érosion des sols. Face aux limites bien normales de cette seule forme d’expertise, ces mêmes groupes d’experts préconisent malgré tout à l’avenir, la production de données visant à alimenter des modèles toujours plus précis pour offrir aux décideurs des administrations des mesures de lutte (ou des pratiques agricoles) toujours plus ciblées. Mais des voix s’élèvent dans la communauté scientifique, affirmant qu’une telle approche conduit à un confinement toujours plus grand des scientifiques dans leur laboratoire, qu’elle ne pourra jamais contrôler toutes les incertitudes, qu’elle consolide le statut dominant des scientifiques « durs » et des ingénieurs sur les problèmes environnementaux dans les arènes politico- administratives, et qu’elle écarte largement d’autres types d’expertise profane ou scientifique en amont des processus décisionnels. Ce rôle central (nécessaire et important) des experts techniques travaillant dans les cantons, la confédération et les instituts de recherche tel Agroscope en tant que porte-parole et entrepreneur de causes s’est vérifié tout au long de l’histoire de la protection des sols. Ce rôle ne doit ni être minimisé ni être perçu rétroactivement de manière négative. Ce sont grâce à ces acteurs agissant dans ces scènes discrètes que des bases légales ont vu le jour. Mais la dégradation et l’érosion sont restées des problèmes d’experts. Ils ne sont jamais devenus des problèmes appropriés par d’autres acteurs de la société civile. En outre, le processus de construction des politiques agroenvironnementales a été marqué par des mécanismes de filtrage de l’expertise scientifico-technique conduisant à des incohérences importantes dans les bases légales. Citons en exemple la séparation entre la protection quantitative (surfaces) et qualitative (fertilité) du sol, l’absence du rôle des améliorations foncières dans les bases légales, l’absence de politique cohérente de la gestion de la matière organique (humus), l’absence de lignes d’action autour des dégâts off-site de l’érosion, des valeurs indicatives pour l’érosion scientifiquement incorrectes, etc. La mise en œuvre de la LPE-OSol et de la LAgr-OPD est également lacunaire. Cela est dû au manque de ressources humaines, financières, politiques et cognitives d’appliquer en particulier dans les services de l’environnement, et à des résistances et des blocages chroniques aux mesures de gestion durable ou aux instruments de contrôles de l’érosion. En bref, les consensus trouvés après de longues négociations sont sans cesse remis en cause. Finalement, les évaluations officielles de la Confédération reposent sur des critères mettant en avant les taux de participation ou le manque de données biogéographiques et techniques. Or, une telle posture des autorités peut être interprétée comme une façon de légitimer les politiques et les budgets agroenvironnementaux en vigueur. Sous cet angle d’analyse, les dimensions techniques sont instrumentalisées au sein des arènes politiques. Ce problème environnemental n’est donc pas tant technique, mais politique et démocratique. L’inégalité des ressources d’action entre les milieux environnementaux et agricoles, ainsi que l’influence des lobbys et des grands distributeurs pèse lourd sur ces enjeux et s’exprime à travers l’ensemble des processus décisionnels au sein du cycle des politiques publiques (mise à l’agenda, programmation, mise en œuvre, évaluation). Or, la technicisation des débats politico-administratifs et des rapports de la Confédération dépolitise systématiquement les questions et les objectifs fondamentaux des politiques agroenvironnementales : par exemple en discutant ad aeternam des moyens techniques pour contrôler l’érosion, pour finalement aboutir à des consensus qui sont remis en cause dès leur application. Voilà pourquoi dans cette étude, l’auteur a souhaité se détourner de cette focalisation sur les agriculteurs « coupables » et « à convaincre » en le portant sur le rôle des sciences, de l’État et du fonctionnement de notre démocratie. Il a plutôt cherché à remettre en question l’approche dominante de la protection des sols dans le monde sans vouloir la décrédibiliser, mais en l’incitant à davantage de réflexivité et à s’ouvrir aux autres sciences et formes de connaissances. Il use dans ce travail engagé de la liberté de parole d’un doctorant universitaire en ethnologie pour fournir une étude atypique et exploratoire. En conclusion, cette recherche plaide pour favoriser l’émergence de nouveaux porte-paroles légitimés des sols : des artistes, des agriculteurs, des jardiniers amateurs, des paysagistes, des sociologues, des philosophes, des historiens, etc. Elle soutient la création de panels d’experts pluridisciplinaires, p. ex. au sein de la Société suisse de pédologie (SSP), et la mise en place de nouveaux espaces de discussions publics et/ou confidentiels, p. ex. en mobilisant la convention d’Arhus sur le principe de participation. Finalement, cette étude encourage une meilleure formation de terrain sur les « sols » au sein des universités, des hautes écoles et des écoles d’agricultures. Techniciser les débats et dépolitiser les enjeux a été une stratégie gagnante des acteurs de la SSP et politico-administratifs pour amener des bases légales et construire des instruments en évitant tout débordement politique qui auraient causé instantanément des blocages. Mais 30 ans plus tard, face à l’échec des politiques agroenvironnementales et face à l’énorme déséquilibre des ressources d’action entre les milieux environnementaux et les milieux agricoles, cette approche a montré qu’elle ne peut plus avancer seule. À terme, seule une réforme des processus décisionnels démocratiques visant à créer de nouveaux espaces de controverses scientifiques et politiques, ainsi qu’une légitimation de nouvelles formes d’expertise semblent pouvoir conduire à une remise en question des priorités politiques et à une redistribution des rapports de forces. Les débats fondamentaux sur les causes structurelles de la dégradation de l’environnement, sur la cohérence des politiques agroenvironnementales, et sur les objectifs à définir et à atteindre, ne doivent plus être tenus entre quelques experts techniques aux pauses café, mais bien trouver leur place dans de nouvelles arènes de discussion publiques, politiques et administratives., This interdisciplinary dissertation (combining natural, political and social sciences) focuses on the sustainable management of agricultural soils. More specifically, it tackles Swiss environmental and agricultural policies for qualitative soil protection and the accompanying measures to limit water erosion of arable lands. Aiming to launch sustained debate and reflection about the dominant approaches to soil protection in Switzerland and at the global level, it asks scientific and administrative experts the following question: given the failures of agri-environmental policies to date, should we persevere, as the United Nations (UN) and the Food and Agriculture Organization (FAO) propose, with the single-strand strategy of environmental and soil “security”, or is it not time to focus on the development of new spaces for debate and decision- making, based on social and political innovations? The industrial and agricultural revolutions of the 19th and 20th centuries have deeply transformed European society and the agricultural world. This has led to an intensification and rationalization of agricultural practices and zoning in rural areas, the most obvious causes of land degradation. Warnings by soil scientists have alarmed the UN since the 1950s, and led to the identification of world food security as a pressing issue. At the beginning of the 2000s, with scientific experts as allies, this organization developed analytical frameworks around the concepts of “ecosystem services” and “sustainable intensification” of agricultural production, as well as guidelines that have strongly influenced the environmental sciences and policy in Euro-American countries. Soil experts working mainly through the Soil Science Society of Switzerland (SSSS) warned Swiss authorities of the problem of soil destruction and degradation in the 60s and 70s, and began investigating the legal bases for action. Pioneers in the field, Swiss authorities heeded these warnings and enshrined the long-term conservation of soil fertility in the Swiss Environmental Protection Act (EPA) as early as 1983, and the sustainable management of resources in the Agricultural Act (AgricA) during the 1990s. Over the past decade, under the leadership of the FAO and the International Technical Panel on Soils (ITPS), the Swiss Federal Office for the Environment (FOEN) undertook a paradigm shift in soil protection, focusing in particular on the coupling of sustainable agricultural practices and soil functions, promoting so- called “function-based decision making”. Today, after 20 years of implementation of the EPA-OSol 98 and the AgricA- OPD 98, observers all conclude that the results of these efforts to reduce or stop soil degradation remain disappointing. On the one hand, it is reasonable to say that without these instruments, soil fertility (as defined by OSol) would be worse today. On the other hand, degradation and erosion continue, albeit at different speeds and to different degrees. The FOEN and the Federal Office for Agriculture (FOAG) agree, eighteen years after the implementation of this legislation, that their agri-environmental objectives have not been met. These instruments of public policy, co-conceived by scientists, politico-administrative experts, spokespeople for the agricultural sector and politicians, have not generated the expected results. This present study seeks to understand why, by conducting ethnographic fieldwork and interviews with farmers, agricultural advisers, public servants in cantonal and federal administrations and scientists, and by analyzing existing national and international reports. By focusing on how these diverse actors have tackled this problem, it identifies the limits of their expertise, with a particular focus on soil scientists. Finally, it analyzes how the legal bases that define and frame the problem were constructed, implemented and evaluated. In the end, 67 interviews and 15 field observations were carried out, and about 100 articles and reports were consulted. This ethnographic survey leads to the observation that the erosion of agricultural soils is not only an ecological and agronomic problem, but also a socio-environmental problem involving economic, social, administrative, political and cultural dimensions. However, the main actors and the dominant historical framework, recognized both internationally and nationally, are all limited to the environmental and technical sciences. These “technosciences” traditionally consider the problem of cultivated soil degradation in terms of its effects on agricultural productivity and risk prevention (especially erosive risk). Their main methods involve the development of numerical models, thought to justify the direction and content of technical innovations that must then be transferred to their end-users, that is to say, farmers and agricultural advisors. However, despite their public claims to rationality and effectiveness, a careful analysis of these forms of scientific and technical expertise reveals multiple uncertainties, controversies and a systemic lack of implementation. In Switzerland, interviews carried out with the various actors involved revealed that there are still major blind spots in scientific expertise around water erosion of agricultural soils. These blind spots revolve around: knowledge in the social and political sciences; a detailed and concrete assessment of the impacts of market liberalization on agricultural practices and the environment; and detailed scientific study of the effects of zoning and land improvement on soil degradation and erosion. While acknowledging the inevitable limits of single-strand expertise, these same experts nonetheless recommend that future policy emphasize the production of yet more data aimed at feeding more and more precise models to offer decision-makers control measures for increasingly precise targeting of farmers and farming practices. More recently, a small but audible portion of the scientific community has voiced the opinion that such an approach leads to the increasing confinement of scientists within their laboratories, to the detriment of real-world solutions. These critics point out that these mono-disciplinary policy measures will never be able to control all of the uncertainties in this area, that they consolidate the dominant role of “hard” scientists and engineers in addressing environmental issues, thereby largely excluding other types of scientific of practice-based expertise from upstream decision-making processes. The central (and no doubt necessary and important) role of technical experts working in the cantons, the Swiss Confederation and research institutes such as Agroscope who function as spokespersons and moral entrepreneur for soil policy has been a constant throughout the history of this issue. This role should not be minimized or perceived negatively today. It is thanks to these experts, acting discretely but effectively behind the scenes, that Switzerland has the legal bases it needs to undertake qualitative soil protection. However, by confining the problem of the degradation and erosion of agricultural soil to expert circles, this top-down approach has made it more unlikely that these policies are appropriated by other actors in civil society, most importantly, those people who are supposed to apply them. In addition, the process of creating agri-environmental policies has been marked by filtering mechanisms central to scientific and technical expertise, leading to significant inconsistencies. Examples include the disconnect between quantitative (surface) and qualitative (fertility) soil protection measures, the lack of any mention of land improvement in the legal bases for policy-making, the lack of a coherent policy for the management of organic matter (humus), the lack of guidelines around off-site erosion damage, and scientifically incorrect indicative values for erosion, etc. As mentioned, a further problem is that the implementation of EPA-OSol and AgricA-OPD is spotty and incomplete. This is due to lack of human, financial, political and cognitive resources in environmental administrations, and to resistance and chronic inertia with respect to sustainable management measures or erosion control instruments. The analysis presented here demonstrates how points of consensus reached after long negotiations are constantly being called into question, sending confusing signals to all actors involved. Finally, the official assessments that the Confederation undertakes to evaluate the effectiveness of these policies are based on criteria that highlight participation rates or that focus single- mindedly on lack of biogeographic and technical data. Such an official attitude can be interpreted as a way of legitimizing existing agri-environmental policies and budgets, in a country where agriculture represents a highly charged political issue. From this perspective, the dissertation concludes that the technoscientific orientation of current policy serves distinct purposes within political arenas. In other words, the environmental problem of agricultural soil fertility is not so much a technical as a political and democratic problem. The unequal budgets and legitimacy as between environmental and agricultural administrations, as well as the influence of lobbies and the food industry, weigh heavily on these issues. All of these framing mechanisms can be seen through a detailed analysis of the decision-making processes within the public policy cycle (setting of the political agenda, programming, implementation, evaluation), as demonstrated here. However, through “technicization” of the politico- administrative debate, the reports of the Confederation systematically depoliticize these issues, losing sight of the fundamental objectives of agri- environmental policies. This “failure as usual” model for tackling environmental problems is particularly evident in the eternal discussions about the technical means to control erosion, which, time and again lead to fragile agreements that are challenged as soon as they are applied. Thus, farmers continue to refuse or neglect these policy measures, while experts continue to deprive themselves of the means fully to evaluate their effectiveness. For all these reasons, this dissertation takes its distance from the focus on technical fixes that seek to convince “conservative” or “ignorant” farmers to tow the line. Rather, it focuses on the role of science and the functioning of Swiss democracy. It seeks to challenge the dominant approach to soil protection around the world without discrediting it, by encouraging it to be more reflexive and open to other sciences and other forms of knowledge production. Using his academic freedom as a PhD student in anthropology, the author takes an engaged and critical, and yet informed and respectful, stance with respect to scientific expertise, hoping to provide innovative avenues for reflection in an area in urgent need of new solutions. In conclusion, this research argues in favor of the emergence of new soil spokespersons: farmers, hobby gardeners, landscapers, artists, sociologists, philosophers, historians, etc. It recommends the creation of multidisciplinary expert panels, for example within the SSSS, and the establishment of new public and/or private forums for discussion, for example by mobilizing the Aarhus Convention on the principle of participation. Finally, this study encourages better field training in soil sciences in universities, colleges and agricultural schools. Technicizing the debates and depoliticizing the issues was a winning strategy for the SSSS and politico- administrative actors in their attempts to create the legal basis for the protection of agricultural soil, by avoiding the political resistance that frank and open discussion of the stakes at hand would have encountered. However, thirty years later, faced with the failure of agri- environmental policies and the huge imbalance of resources for action as between environmental and agricultural authorities, this approach has shown that it can no longer advance alone. Ultimately, only a reform of democratic decision-making processes aimed at creating new spaces for scientific and political disagreement, as well as the legitimization of new forms of expertise, can lead to a realignment of political priorities and a redistribution of power and influence in this area. The fundamental debates on the structural causes of environmental degradation, on the coherence of Swiss agri-environmental policies, and on the objectives to be defined and to be achieved must no longer be held between technical experts over coffee breaks, but find their rightful place in new public, political and administrative arenas. - PublicationAccès libreUsing testate amoeba community structure and functional diversity to assess the impact of climate changes on ecosystem functioning: finding relevant and convenient tools for bio-monitoring of "Sphagnum" peatlands evolution or recoveryL’impact grandissant de l’homme sur les écosystèmes et les changements climatiques en cours font disparaître nombre de milieux naturels dans le monde. Il est aujourd’hui acquis que les écosystèmes naturels et la biodiversité ont un rôle important dans le bien-être de l’humanité et que les services qu’ils rendent ont une valeur monétaire qui peut être estimée (services écosystémiques). Parmi ces écosystèmes, les zones humides et les tourbières ont une importance particulière, liée autant à la flore très spécifique qui y vit qu’à leur rôle de puits de carbone. En effet, leurs sols, détrempés une grande partie de l’année, sont anoxiques et la matière organique s’y décompose très lentement. Elle s’y accumule, permettant de fixer dans le sol (la tourbe) du carbone atmosphérique. Mais cette fonction est liée directement à l’engorgement en eau, qui dépend du régime des précipitations et donc du climat. Dans un contexte de changement climatiques, mais aussi à une pression anthropique croissante, les tourbières sont partout dans le monde en voie de régression. En Suisse, par exemple, il ne reste actuellement que 10% des zones humides existantes au XIXème siècle. Dès lors, il est urgent de développer des outils qui permettent de suivre leur évolution.
L’objectif de cette thèse est de mettre au point des indicateurs permettant de suivre l’état des tourbières ainsi que leur fonctionnement en tant qu’écosystème. Les relevés de végétation utilisés depuis longtemps permettent de suivre les changements sur le long à très long terme ; cependant, cet outil est insuffisant pour documenter des changements rapides de l’ordre de quelques mois. En particulier, lors de travaux de revitalisation, il est difficile d’estimer l’impact des mesures prises (comme par exemple : manipulation de la nappe d’eau, réintroduction d’espèces végétales, etc.) sur le fonctionnement général de la tourbière. Si la végétation prendrait des années à se modifier, les communautés de micro-organismes vont réagir en effet beaucoup plus rapidement. Parmi ces micro-organismes, les amibes à thèques, un groupe de protistes unicellulaires se protégeant dans une coquille (appelé thèque), jouent un rôle prépondérant dans le réseau trophique des sols de tourbière et sont aujourd’hui reconnues comme étant de bonnes indicatrices de divers gradients tel l’humidité, le pH, les nutriments ou les polluants. Les thèques de ces organismes ont une forme caractéristique qui permet leur identification au niveau de l’espèce. Des traits morphologiques ont été corrélés aux préférences écologiques des espèces, et il est possible, en les observant, de mettre en évidence des filtres environnementaux. La définition des traits fonctionnels nécessite des expérimentations en milieu contrôlé pour définir clairement les corrélations entre les traits morphologiques et le fonctionnement de l’écosystème.
Le premier article (chapitre 2) a permis de montrer qu’une sélection d’espèces d’amibes à thèque est plus finement corrélée aux changements de micro-gradients (humidité) que la végétation dans un gradient altitudinal de tourbières naturelles relativement préservées. En effet, dans cette étude, nous montrons qu’un pool de dix espèces d’amibes à thèque faciles à identifier, permettent de suivre la profondeur de la nappe le long du gradient gouille – buttes, à diverses altitudes alors que la végétation (globale ou séparée entre plantes vasculaires et bryophytes) est plutôt mieux corrélée à l’altitude et autocorrélée au site lui-même. Dès lors, ces dix espèces d’amibes sont de meilleures indicatrices de l’état et du fonctionnement de la tourbière.
Dans le second article (chapitre 3), nous comparons la structure de la communauté d’amibes ainsi que la moyenne pondérée des traits fonctionnels entre une tourbière artificielle créée au Jardin Botanique de Neuchâtel (d’une surface d’environ 100m2) avec une tourbière naturelle en cours de régénération (Bois des Lattes, NE). Recréer une tourbière fonctionnelle à basse altitude est un solide défi, surtout lorsque la météo impose une longue sécheresse la première année. Nos résultats indiquent que la population d’amibes à thèque à fortement changé durant cette première année et semble indiquer que le fonctionnement de la tourbière a été profondément perturbé. En effet, la comparaison entre les communautés d’amibes sur le site de référence et les deux échantillonnages du jardin botanique (2015 et 2016) montrent des différences significatives ; alors que Corythion dubium représente environ 1/5-1/3 de tous les individus vivants rencontrés au jardin botanique, cette communauté est dominée par Difflugia sp. et Phryganella acropodia sur le site de référence (Bois des Lattes, NE). Par contre, sur la base des traits fonctionnels, le fonctionnement semble assez proche entre les sites, avec des signes indiquant un stress hydrique important mais comparable entre le site de référence (sphaignes sur tourbe nue) et le jardin botanique.
La troisième partie de cette thèse nous a permis de corréler les traits fonctionnels avec la fluctuation de la nappe d’eau dans une situation contrôlée en mésocosmes. Dans la première phase de l’expérimentation (article 3, chapitre 4) le niveau d’eau a été réglé à −4cm (humide), −15cm (contrôle) et −25cm (sec) depuis le sommet des capitulums et plusieurs échantillonnages ont été réalisés durant 18 mois. Les traitements mouillés et contrôle ont peu changé durant cette phase, restant largement dominés par Hyalosphenia papilio, une espèce mixotrophe fréquente en tourbière et avec une bonne tolérance aux variations de la nappe. Dans les réplicas secs, nos résultats montrent que la population d’amibes à thèque répond rapidement au traitement en basculant vers des espèces connues pour mieux tolérer les conditions sèches (groupe de Nebela tincta, Corythion dubium). Les traits fonctionnels mis en évidence dans le traitement sec sont un biovolume plus petit, un pseudostome caché (ventral ou ventral-central) et étroit ainsi que la perte de la mixotrophie. Dans la seconde phase (papier 4, chapitre 5), nous avons simulé une situation de régénération en remontant le niveau d’eau à −10cm de la surface de la sphaigne. Quatre échantillonnages ont été pris en compte, le premier et le dernier de la première phase, ainsi que deux échantillons 2 et 6 mois après l’égalisation du niveau d’eau. Dans le traitement sec, la population d’amibes à thèque revient progressivement à son état du début de l’expérimentation avec une diminution des taxa adaptés aux conditions sèches et la réapparition de taxa corrélés à des conditions humides (et en particulier Hyalosphenia papilio). La moyenne pondérée des traits fonctionnels se modifie indiquant des contraintes environnementales moins drastiques. De façon intéressante, certains échantillons des traitements humides et contrôle ont vu leur communauté d’amibes ainsi que leur moyenne pondérée de traits indiquer que la situation locale était plus sèche et reflétait ainsi l’état de la sphaigne dans laquelle l’échantillonnage s’est fait.
Cette thèse permet de montrer le potentiel de bio-indication des amibes à thèque et de leurs traits fonctionnels dans le suivi des tourbières, que ce soit pour suivre des mesures de revitalisation ou pour faire un diagnostic de leur état et de leur fonctionnement. L’approche par les traits, en contournant la difficulté d’une identification des taxa très précise et en mettant en évidence les mécanismes en cours, permettrait de créer un outil de bio-indication basé sur des classes de traits et des proportions, ne nécessitant pas l’utilisation de statistiques complexes., Human activity and ongoing climate changes have an increasing impact on ecosystems and lead to the loss of several natural habitats. Ecosystems provide functions contributing to human well-being and these functions could be estimated based on a monetary value. Among these ecosystems, wetlands and peatlands are of primary importance, by hosting a specific flora and acting as a carbon sink. Their waterlogged soils are anoxic, and the mineralisation of the organic matter is slow. Organic matter accumulates in the peat and thus fixes atmospheric carbon in soil. But this function is directly linked to the humidity content, which depends on precipitation rate and local climate. With ongoing climate changes and human pressure on peatlands, these ecosystems are regressing all over the world. In Switzerland for example only 10% of the wetlands, that still existed in the 19th century, remained until now. Henceforth, developing tools that allow the monitoring of peatlands has become a key priority.
The aim of this thesis was to develop bio-indicators that can be used to monitor the status and functioning of Sphagnum peatlands. Until now, monitoring of Sphagnum peatlands was mainly conducted through vegetation surveys. However, as vegetation responds to perturbation with a delay, its power to assess short term changes is limited. Particularly, it is difficult to estimate the impact of revitalisation actions (i.e. manipulation of water table, introduction of vegetation, etc.) on the global functioning of the peatland. While vegetation takes years to reflect changes, micro-organismal communities will react sooner. Among these micro-organisms, testate amoebae, a group of unicellular protists building a shell (test), play an important role in food web functioning in Sphagnum peatland’s soils and are well correlated to local changes. They are now used to monitor various gradients like humidity, pH, nutrients contents and pollutants. The shell is characteristic and allows the identification to species level. Recently morphological traits were correlated to ecological preferences of taxa and studies use them to underline environmental gradients. However, studies in control conditions are needed to define functional traits i.e. traits that are correlated with environmental filters. Therefore a clear definition of the correlation between morphological traits and ecosystem functioning is necessary.
In this thesis we showed that a group of selected testate amoeba taxa is more precisely correlated to microgradient (humidity content) than vegetation along an altitudinal gradient of Sphagnum peatlands in Switzerland. We demonstrated that these ten selected taxa, which were easy to determine, allow to monitor the water table depth along the pool – hummock gradient at each elevation while vegetation (global or vascular plant and bryophytes separately) was better correlated to elevation or autocorrelated to the site itself. Henceforth, these ten testate amoeba taxa describe the status and functioning of the bogs more precisely. In addition we compared the structure of testate amoeba community and community weighted mean of functional traits between an artificial peatbog (covering an area of 100m2) set up in the Botanical Garden in Neuchâtel and a regenerated bog in Bois des Lattes (NE). Rebuilding a fully functional Sphagnum peatbog at low elevation is challenging, especially with long warm and dry periods during the first year. Our results showed that testate amoeba community structure changed drastically during this first year and seemed to indicate that the bog functioning was deeply disturbed. Henceforth, the comparison between the community structure found on bare peat in Bois des Lattes and the living community structure found in both samplings (2015 and 2016) in the Botanical Garden was significantly different. In the Botanical Garden, Corythion dubium represented ca. 20% to 30% of the whole living population while the Difflugia genus and Phryganella acropodial dominated sampling in Bois des Lattes (ca. 25%). On the other hand, the global functioning of both sites appeared to be quite similar based on functional traits and indicated a water stressed situation. Thus, even if the community structure was relatively different between the Botanical Garden bog and Bois des Lattes, the global functioning remained in the same range in both sites.
We also monitored the changes in testate amoeba community structure and correlated functional traits with water table fluctuations in a controlled experiment i.e. mesocosms. We assessed the response of testate amoeba community structure and weighted mean of traits to three levels of water tables, wet (-4cm), intermediate (-15cm, taken as control) and dry (-25cm). In wet and intermediate plots, little changes occurred over 18 months and the community stayed largely dominated by Hyalosphenia papilio, a mixotrophic taxa common in Sphagnum peatlands and with a relatively wide tolerance to fluctuation in water level depths. In dry plots, the shift in community structure occurred rapidly and taxa related to dryer conditions dominated the community (Nebela tincta group, Corythion dubium). In these plots, the shift in community weighted mean of functional traits went towards small taxa, with a small hidden pseudostome (ventral and ventral-central) and the loss of mixotrophy. In the follow-up of this experiment, we simulated a regeneration situation by putting the water level at -10cm in all plots. Four samplings were taken into account, the first and the last of the previous experiment and two additional samplings were done, two and six months after the rewetting. Our results showed that, during the recovery period, the community structure of testate amoebae reflected the change in water level, in the former dry treatment. Taxa living in more humid conditions like H. papilio, recovered whereas N. tincta, and C. dubium, taxa related to dry conditions, regressed in community structure. The community weighted mean of traits shifted and indicated that the environmental constraints were less drastic in theses plots. Interestingly, the community structure and the weighted mean of traits in some former wet and intermediate plots indicated that the local conditions should be dryer and, indeed, this reflected the state of Sphagnum stems which was very dry in these plots.
This thesis confirms the bio-indication potential of testate amoeba communities and functional traits in Sphagnum peatlands monitoring. This can be used either for a follow- up of the revitalisation measures or to diagnose their functioning. The trait based approach, by circumventing the difficulties of precise identification and by highlighting ongoing processes, provide cues to build bio-indication tools based on functional trait classes and proportion without the need of complex statistics. Moreover, assessing the success of restoration measures is important to assess the role of peatlands in the carbon cycle. In this context, easy to handle bio-monitoring tools better correlated to very local hydrologic conditions are needed and testate amoeba community structure and community weighted mean of functional traits could play this role. - PublicationAccès libreA molecular approach to microeukaryotic diversity, ecology and biogeography associated with Sphagnum mosses(2017)
; Malgré le fait que les micro-eucaryotes composent la majeure partie de la biodiversité terrestre et jouent de nombreux rôles essentiels dans le maintien des écosystèmes, la connaissance de leur diversité, de leur écologie ainsi que de leurs aires de répartition reste très lacunaire. Dans ce sens, les objectifs de cette thèse sont 1) d’accroître la connaissance de la diversité des micro-eucaryotes 2) de caractériser les préférences écologiques et de déterminer quelles sont les principales variables qui influencent la composition des communautés et enfin 3) de comprendre les règles qui dirigent les communautés à l’échelle locale et globale. Pour atteindre ces objectifs, un milieu spécifique a été sélectionné : la "sphagnosphère", celui-ci désigne l’eau interstitielle sous l’influence des mousses de sphaignes (Sphagnum). Cet environnement est un excellent modèle en biologie car il se caractérise par une faible teneur en éléments nutritifs, un faible pH, des quantités élevées d’acides organiques et une grande stabilité dans le temps.
Nous avons d’abord exploré la diversité de deux groupes de protistes vivant dans les sphaignes. Le premier groupe est le genre Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), un groupe d’amibes à thèque composé d’espèces étroitement apparentées. Nous avons décrit formellement la plus abondante et l’avons nommée Nebela gimllii en raison de la taille de sa thèque. Les différents profils de communautés ont révélé que les espèces ne sont pas distribuées de manière aléatoire dans les tourbières. Au contraire, nous avons observé un fort groupement phylogénétique dans les zones oligotrophes, ce qui suggère que les teneurs faibles en azote exercent une forte pression environnementale. Nous avons également étudié la diversité moléculaire du clade d’Oomycota. Ce sont des stramenopiles qui se composent de nombreux parasites d’animaux, de champignons et de végétaux, ainsi que d’espèces saprotrophes. Nous avons révélé une grande diversité dans ce clade ce qui était inattendu pour des organismes osmotrophes vivant dans des habitats oligotrophes. De plus, la plupart des phylotypes trouvés ne sont pour le moment pas décrits morphologiquement ni génétiquement, ce qui suggère l’existence d’organismes hautement spécialisés.
Nous avons également étudié la diversité des micro-eucaryotes vivant dans des Sphaignes situées à différentes altitudes dans trois zones climatiques différentes : tempérée (Suisse-France-Italie), subtropicale (Japon) et tropicale (Costa Rica). Nos résultats suggèrent que 25% des phylotypes étaient communs dans ces trois zones. Nous avons également trouvé une corrélation significativement négative entre la quantité de phylotypes liés aux organismes mixotrophes et des températures élevées. Cela suggère que la mixotrophie est désavantageuse dans un climat chaud. Enfin, nous avons étudié la répartition spatiale d’une espèce emblématique d’amibe à thèque trouvé dans les tourbières de l’hémisphère nord: Hyalosphenia papilio. Un total de 13 lignées ont été trouvées, dont neuf présentent des distributions restreintes et quatre sont bien réparties dans tout le domaine holarctique. Nous avons montré, sur la base de reconstructions phylogénétiques et d’une reconstitution des caractères ancestraux, que l’origine de H. papilio se situe probablement sur la côte ouest de l’Amérique du Nord.
En résumé, ma thèse démontre que l’environnement « sphagnosphère » accueille une diversité élevée et unique de micro-eucaryotes. Cette diversité est influencée par des variables environnementales physicochimiques à l’échelle locale mais également par le climat et la distance géographique à l’échelle mondiale. Nous avons identifié et quantifié les principales variables abiotiques locales (à savoir la microtopographie et la teneur en azote) qui influencent fortement les communautés au sein d’une même zone climatique. Ces variables ont exercé un fort effet de filtre environnemental, qui semble être un processus fondamental dans la mise en place des communautés. De plus, à l’échelle mondiale, nous avons démontré que la température était le principal paramètre influençant la composition de la communauté, et notamment l’abondance mixotrophique. Aux deux échelles, la composition des communautés, et donc les interactions biotiques (et probablement le fonctionnement des écosystèmes), changent radicalement., Despite the fact that free-living microeukaryotes compose the major part of Earth’s biodiversity and play numerous essential roles in ecosystems, knowledge on their true diversity, ecology and their global patterns of distribution remain limited. In this sense, the objectives of this thesis are 1) to increase the knowledge on the diversity of microeukaryotes 2) characterize the ecological preferences and determine which are the main variables that influence community composition, and finally 3) to understand the rules that shape the communities at both local and global scales. To meet these objectives a specific component of the earth surface was selected: the “Sphagnosphere” i.e. the interstitial water directly influenced by Sphagnum mosses. This understudied but unique microenvironment is characterized by low nutrient contents, low pH, and high amounts of organic acids produced by the mosses. It is also very stable over time.
We first explored the diversity of two groups of protists in Sphagnum peatlands. The first group was genus Nebela (Arcellinida, Hyalospheniidae), a common testate amoeba taxon in acidic soils. We formally described the most abundant one and named it Nebela gimllii due to the small and stout shells. The different community profiles revealed that species are not randomly distributed among microhabitats in peatlands. Instead, we observed a strong phylogenetic clustering in nitrogen-poor areas suggesting that little amounts of nitrogen exerted strong environmental filtering. We also surveyed the molecular diversity of Oomycota, a clade of fungi- like stramenopiles which enclose many animal, fungi and plant parasites, as well as saprotrophic species. We revealed a high diversity, which was unexpected for osmotrophic organisms in nutrient-poor habitats unless most are parasitic. Moreover, most phylotypes found were not recorded in previous studies, which suggest the existence of highly specialized organisms.
We also surveyed the diversity of microbial eukaryotes along altitudinal gradients in three different climatic zones, temperate (western Alps), subtropical (Japan) and tropical (Costa Rica). We showed that 25 percent of phylotypes were shared in the three climatic zones. We found also a significant negative correlation between the proportion of phylotypes related to mixotrophic organisms and temperature. This, in line with other lines of evidence in the literature corroborates the idea that mixotrophy is disadvantageous under warm climates. Finally, we studied the spatial distribution of an emblematic morphospecies of testate amoeba found in the northern hemisphere peatlands: Hyalosphenia papilio. A total of 13 lineages were found, from which nine showed narrowly restricted distributions, and four were well distributed across the Holarctic realm. We showed, based on phylogenetic analyses and ancestral character reconstructions that H. papilio most probably appeared somewhere in the West Coast of North America.
In summary, my PhD revealed that the Sphagnosphere environment hosts high and unique diversity. This diversity is driven by physicochemical factors at the local scale and by climate and geographical distance at the global scale. We identified and quantified the main local abiotic variables, amongst which micro-topography and nitrogen content appeared to be the most significant in shaping micro-eukaryotic diversity within the same climate zone. These variables exerted strong environmental filtering, which appeared to be fundamental process of community assembly. On the other hand, at a global scale, we demonstrated that temperature was the factor that best explain community composition, and notably the abundance of mixotrophs (and hence a different functioning). At both scales, community composition, and therefore biotic interactions (and most probably ecosystem functioning) change drastically. - PublicationAccès libreAssessing soil micro-eukaryotic diversity using high-throughput amplicons sequencing: spatial patterns from local to global scales and response to ecosystem perturbation(2017)
; Les micro-eucaryotes exhibent une immense diversité qui remplit plusieurs fonctions essentielles dans les écosystèmes colonisés. Ces micro-organismes sont impliqués dans tous les niveaux trophique microbiens, interagissent entre eux ainsi qu’avec d’autre groupes d’organismes tel les procaryotes ou les macro-organismes, et influencent les cycles d’éléments comme ceux du carbone ou de l’azote. Les diversités et écologie des micro-eucaryotes sont étudiées à partir de la morphologie de ces organismes et de plus en plus avec des méthodes moléculaire devenant plus abordable que jamais. Le séquençage haut débit de fragments d’ADN donnant une information taxonomique prise directement de l’environnement est maintenant le standard pour établir les communautés microbiennes et pratiquement saturer la diversité microbienne. Cette thèse profite des avancées dans cette technique pour étudier l’écologie des microeucaryotes des sols, organismes qui représentent la base de la plupart des écosystèmes terrestre et sont impliqué dans de critique questions écologique comme les changement climatique ou l’approvisionnement alimentaire. Les cinq chapitres suivent des communautés contraintes par différent niveaux de stress ou perturbation et distribuées autant sur de petite surfaces que sur le globe. Des analyses écologique classique et innovante sont utilisées dans ce travail pour couvrir des questions à propos de bioindication, fonctions, niveaux trophique, distribution spatiale et diversité de ce groupe de micro-organismes peu connu à l’immense diversité., Micro-eukaryotes exhibit a huge diversity which fulfils many essential functions in the colonized ecosystems. These micro-organisms are involved in every level of microbial trophic networks. They interact with each other and with other biota like prokaryotes or macro-organisms, and influence element cycles like the carbon or nitrogen cycle. The diversity and ecology of micro-eukaryotes are studied based on morphological analyses and more and more with molecular methods which are increasingly affordable. High-throughput sequencing of taxonomically informative DNA fragments taken directly from the environment is now the golden standard to assess microbial communities and virtually saturate the microbial diversity. This thesis takes advantage of the advances in this technique to study the ecology of micro-eukaryotes in soils, which represent the basis of most terrestrial ecosystems and are involved in critical ecological issues like climate changes or food supply. The five chapters follow communities constrained by different levels of stress or perturbation and distributed from very limited areas to global ecosystems. Classical and innovative ecological analyses are used in this work to cover questions about the bioindication, functions, trophic networks, spacial distributions and diversity of these hyper-diverse and largely unknown micro-organisms. - PublicationAccès libreImpact of vertebrate cadavers on soil communities and soil chemistry to develop new forensic indicators for estimating the time after death(2017)
; La décomposition des cadavres dans l'écosystème sol créée des "hot spots" éphémères particuliers, en introduisant de l'eau, des communautés microbiennes et de grandes quantités de liquides riches en éléments nutritifs dans le sol. Ceci a un impact fort, quoique spatialement et temporellement limité, sur la chimie et les organismes du sol. La recherche des impacts des cadavres sur l'environnement du sol est à l'interface entre les sciences écologiques et les sciences forensiques ; le premier domaine se focalise sur leur importance en tant que ressource dans les écosystèmes et le second sur l'estimation de l’intervalle post-mortem ou post-mortem interval (PMI) qui est le temps écoulé depuis la mort. Cependant, la recherche sur les cadavres est encore limitée et, en particulier, les connaissances sur leurs impacts sur les organismes du sol. En science forensique, l'estimation des intervalles post-mortem longs (plusieurs semaines, mois, voire années) reste un défi, parce que les méthodes actuelles comme l'examen médical du défunt ou l'utilisation de preuves d'insectes (entomologie forensique) perdent leur précision après quelques jours ou plusieurs semaines respectivement. Il y a donc une demande croissante de méthodes nouvelles et applicables en science forensique. Cette thèse de doctorat se focalise sur trois sujets clés: (1) caractériser les changements dans les caractéristiques chimiques des sols en réponse aux cadavres en décomposition, (2) évaluer les réponses de différents groupes d'organismes (thécamoebiens, nématodes, insectes) à ces changements et évaluer leur potentiel pour l´estimation du PMI (3) tester plusieurs méthodes (analyse des os, des acariens, nématodes et des micro-Eucaryotes du sol) dans une cas réel, combinant différentes disciplines (datation au 14C, microscopie, séquençage à haut débit). L'objectif global est d'améliorer notre compréhension de l'impact des cadavres sur le sol et d'utiliser ces connaissances pour développer de nouvelles méthodes d'estimation de PMI. Par conséquent, nous avons conduit deux expériences dans les forêts à proximité de Neuchâtel, en Suisse avec trois cadavres de cochons (Sus scrofa) dans la première (2009-2010) et dix cadavres de cochons dans la deuxième expérience (2013-2014). Dans la première expérience, nous avons comparé trois traitements (trois répétitions chacun) : 1) placettes témoin (sol nu pour référence), 2) des faux cochons (sacs de coton de taille et de masse équivalente à les cadavres de cochons pour les effets microclimatiques) et 3) des cadavres de cochons (placés directement sur le sol pour des effets microclimatiques et fluides cadavériques). Dans la deuxième expérience, nous avons augmenté le nombre de répétitions (cinq) et ajouté un quatrième traitement, soit des cadavres de cochons suspendus (cadavres suspendus dans des cages à 1 m au-dessus du sol) pour les effets fluides cadavériques seulement. Dans les deux expériences, l'échantillonnage a commencé peu de temps avant que les cadavres soient mis en place et après dans des intervalles définis. Les résultats de cette thèse de doctorat ont révélé des changements clairs dans la chimie du sol et dans l'abondance et la structure des communautés de thécamoebiens et de nématodes montrent qui peuvent être liés au processus de décomposition. Ni les constituants chimiques du sol, ni la composition communautaire des organismes du sol analysés n'étaient retournés au statut initial (soit avant le processus de décomposition) après 10 ou 12 mois. Par conséquent, ces approches ont un grand potentiel pour une estimation de PMI long. Enfin, cette thèse de doctorat montre que la combinaison de disciplines - ici l'acarologie, l'anthropologie, l'entomologie, le séquençage à haut débit des Eukaryotes, et l‘étude des caractéristiques chimiques du sol – est particulièrement puissante pour les enquêtes de cas réels. Dans cette thèse de doctorat, nous avons non seulement démontré avec succès l'importance du sol en science forensique, mais aussi ouvert la voie à d'autres marqueurs forensiques pour estimer le PMI. ABSTRACT Decomposing cadavers in terrestrial ecosystem represent discrete ephemeral “hot spots” that introduce water, microbial communities and high amounts of nutrients into the soil. This has a strong, although spatially and temporally limited, impact on soil chemistry and belowground soil organisms. The study of cadaver impacts on the soil environment is at the interface between ecological and forensic sciences, the former focusing on their importance as a resource in ecosystems and the latter on the estimation of the post-mortem interval (PMI) which is the time elapsed since death. However, carrion research is still sparse and especially knowledge about cadaver impacts on soil organisms remains extremely poor. In forensic science the estimation of long post-mortem intervals (after weeks, months or years) is still a challenge, because current established methods such as the medical examination of the deceased or the use of insect evidence (forensic entomology) lose their accuracy after a few days or several weeks respectively. Hence, there is an increasing demand for new and applicable methods in forensic science. This PhD thesis focuses on three key subjects: (1) characterising the changes in soil chemical characteristics in response to decomposing cadavers, (2) assessing the response of organism groups (testate amoebae, nematodes, insects) to these changes and evaluating their potential for PMI estimation (3) testing several methods (analysis of bones, mites, nematodes and micro-Eukaryotes) in a real case investigation, combining different disciplines (14C dating, microscopy, high throughput sequencing). The overall aim is to improve our understanding of cadaver impact on the soil and use this knowledge to develop new methods for PMI estimation. Therefore we conducted two experiments, using three pig cadavers (Sus scrofa) in the first (2009-2010) and ten pig cadavers in the second experiment (2013- 2014) that were placed in forest areas near Neuchâtel, Switzerland. In the first experiment, we compared three treatments (three replicates each): 1) control (bare soil for reference), 2) fake pigs (cotton bags of the same size as the pig cadavers for microclimatic effects) and 3) ground pigs (cadavers directly placed on the ground for microclimatic and cadaveric fluids effects). In the second experiment, we increased the number of replicates (five) and added a fourth treatment i.e. hanging pigs (cadavers hanging 1 m above ground) for cadveric fluids effects only. In both experiments sampling started shortly before the cadavers were put in place and continued in defined intervals after. The results from this PhD thesis revealed that changes in soil chemistry and in the abundance and community structure of testate amoebae and nematodes show identifiable patterns that can be related to the decomposition process. Neither the chemical constituents of the soil, nor the community composition of the analysed soil organisms had returned to the initial status (i.e. before the decomposition process) after 10 or 12 months. Therefore, these approaches have a high potential for long PMI estimation. Finally, this PhD thesis shows that the combination of disciplines - in this case, acarology, anthropology, entomology and soil science – is especially powerful for real case investigations. In this PhD thesis we have not only successfully shown the importance of soil in forensic science, but also paved the way for additional forensic markers to estimate the PMI. - PublicationAccès libreBiodiversity conservation and sustainable management in the vineyard agroecosystem: an integrated approach for different trophic levels(2016)
Nous avons tout d’abord présenté les résultats en rapport avec les facteurs biotiques et abiotiques qui affectent la composition des espèces et leurs traits fonctionnels (Chapitres 2 et 3). En 2009, une étude pilote a fourni des indications préliminaires utiles pour la présente étude en ce qui concerne: le choix de techniques d'échantillonnage efficaces pour les arthropodes, l’élaboration de la conception de l'étude principale, l’évaluation des techniques d'analyse statistique ainsi que le développement d'autres questions et hypothèses de recherche. Les Auchenorrhynches (Insecta: Hemiptera: Fulgoromorpha et Cicadomorpha) ont été utilisés comme taxons modèle. Les variables liées à l'environnement et à la gestion expliquent la plupart de la variance dans les communautés des Auchenorrhynches (cicadelles ci-dessous). En particulier, l'utilisation de pesticides (insecticides et herbicides) et la fauche des talus se sont révélés être les meilleurs prédicteurs de la composition des espèces indicatrices des cicadelles : Lorsque la pression de gestion augmente, le nombre des espèces indicatrices, et en particulier les spécialistes (c'est-à-dire les espèces oligotopes (et stenotopes), diminuent dramatiquement. En 2011, une large étude a été conduite afin d’évaluer l’importance relative des facteurs environnementaux et des interactions biotiques qui déterminent les communautés biologiques à deux niveaux trophiques: végétaux (producteurs primaires) et cicadelles (phytophages). Les modèles testés expliquent plus de la moitié de la variation dans les communautés végétales (51.8%) et de cicadelles (54.1%). Les variables les plus importantes ont été de nature topographique (principalement la pente du site d’échantillonnage) et biotique. Les processus abiotiques ont été plus importants que les processus biotiques (végétaux: 9.6% vs 4.9%; cicadelles: 14.8% vs 3.8%). La co-occurrence des espèces de végétaux et de cicadelles a clairement révélé une distribution ségréguée non-aléatoire des communautés. Cependant, l’analyse de co-ocurrence par paires a mis en évidence un distribution agrégée pour les espèces de cicadelles polyphages et communes (15 couples d’espèces sur 20) et pour les cicadelles monophages et leurs plantes hôtes potentielles ainsi qu’une haute fréquence de couples ségrégués pour les végétaux (40 sur 57).
En deuxième lieu, nous avons établi une liste de plantes indicatrices qui prédisent des valeurs plus élevées de la biodiversité taxonomique et fonctionnelle. Nous avons examiné 10 caractères fonctionnels largement utilisés et nous avons sélectionné 6 indices taxonomiques et fonctionnels. Nous avons utilisé une analyse multivariée à deux niveaux pour sélectionner 52 espèces indiquant de façon significative des valeurs élevées ou des valeurs moyennes à élevées de la biodiversité. Parmi les espèces indicatrices, 24 (46%) ont été exclusivement sélectionnées par les indices de biodiversité fonctionnelle et seulement 10 (19%) ont été associées à des indices taxonomiques. Dix-huit espèces (35% du total) ont été sélectionnées à partir des deux types d'indices. Nos résultats soulignent la nécessité de tenir compte des aspects fonctionnels dans les stratégies de conservation de la biodiversité lorsque les objectifs sont de préserver tant la diversité taxonomique que le fonctionnement des écosystèmes (Chapitre 4).
En troisième lieu, nous avons proposé un cadre conceptuel comme outil de sélection d'indicateurs en vue de mesurer la qualité botanique du vignoble. Ce cadre a été élaboré sur la base de quatre critères: 1) intensité de gestion, 2) composants de la biodiversité, 3) vulnérabilité et menace d'extinction, 4) dommages réels et potentiels pour la biodiversité. L'application du cadre sur les vignobles au sud de la Suisse nous a permis de sélectionner un total de 118 espèces (Chapitre 5).
Enfin, nous avons étudié le rôle des cicadelles comme vecteurs de deux agents pathogènes des plantes (phytoplasmes) causant deux maladies importantes de la vigne (flavescence dorée FD et bois noir BN). Comme les stratégies de lutte contre la maladie ne sont pas toujours efficaces, il est essentiel de faire une étude approfondie sur les cycles épidémiologiques des agents pathogènes au niveau régional. Dans cette étude, nous avons étudié l'incidence des vecteurs connus et potentiels de phytoplasmes dans les vignobles par une approche de typage génétique par séquençage multi-locus (MLST) pour caractériser la diversité génétique des isolats de phytoplasme dans le corps des insectes. Sur l’ensemble des 167 espèces de cicadelles identifiés, 27 étaient vectrices connues ou vectrices potentiels de phytoplasmes et cinq d'entre elles se sont révélées être infectées. Scaphoiodeus titanus était infecté par le phytoplasme du sous-groupe 16SrV-D et il n’a pas été observé de relation claire entre la densité de la population et l’apparition de la maladie. Orientus ishidae était infectée par les sous-groupes 16SrV-C et 16SrV-D, ce qui suggère un rôle potentiel de transfert du phytoplasme 16SrV-C sur la vigne à partir de plantes arborescentes et du 16SrV-D entre plants de vigne. Hyalesthes obsoletus était infectée par le phytoplasme BN, tuf-types a et b, mais la collecte était relativement faible. Reptalus panzeri et R. cuspidatus étaient infectées par type de tuf b, mais seule R. cuspidatus était commune et abondante dans les vignobles étudiés. En définissant la gamme des vecteurs alternatifs à l’aide d’une approche détaillée au niveau régional, il est possible d’obtenir des informations de base en vue de mieux comprendre la propagation des phytoplasmes dans les vignobles (Chapitre 6).
Dans le chapitre final, nous discutons les conséquences générales de nos résultats dans le cadre de la stratégie de gestion durable des vignobles, ainsi que les lignes de recherche futures., In the general introduction the importance to preserve biodiversity and ecosystem functioning in agroecosystems and the basic ideas which have oriented the present thesis were presented.
Firstly, we presented results of biotic and abiotic factors affecting species composition and their related functional traits (Chapters 2 and 3). In 2009, a pilot study provided useful preliminary insights for the present study with respect: to selection of effective sampling techniques for arthropods, to develop the main study design, to assess statistical analysis techniques, and to develop further research questions and hypotheses. The Auchenorrhyncha (Insecta: Hemiptera: Fulgoromorpha and Cicadomorpha) were used as model taxon. Environmental and management variables accounted for most of the variance in the Auchenorrhyncha (leafhoppers hereafter) assemblages. In particular, pesticide use (insecticide and herbicide) and mowing of embankments were the best management predictors of leafhopper species composition. With increasing management pressure, the number of indicator species and particularly the specialists (i.e. stenotopic and oligotopic species) decreased dramatically. In 2011, an extensive study was carried out to highlight the relative importance of environmental factors and biotic interactions shaping community assemblages at two trophic levels: plants (primary producers) and leafhoppers (phytophagous). The tested models explained more than half of the variation in plant and leafhopper assemblages (51.8% and 54.1%, respectively), and the most important variables were topographic (mainly slope of sampling sites) and biotic ones. Abiotic filtering processes were relatively more important than biotic ones (plants: 9.6% vs 4.9%; leafhoppers: 14.8% vs 3.8%). Species co-occurrence of overall plant and leafhopper communities showed a clear evidence of non-randomness segregated patterns. However, pairwise co-occurrence analyses showed an aggregated pattern for polyphagous and common leafhoppers species (15 species pairs out of 20) and for monophagous leafhoppers and their potential host plants; and a high frequency of segregated species pairs for plant communities (40 out of 57).
Secondly, we produced a list of indicator plant species predictive of high taxonomic and functional biodiversity values. We considered ten widely used functional traits and selected six taxonomic and functional biodiversity indices. We used a two-step multivariate analysis to select 52 species significant indicators for high and mid-to-high biodiversity values. Out of all indicator species, 24 (46%) were exclusively selected by functional biodiversity indices whereas only 10 (19%) were associated with taxonomic indices. Eighteen (35% of the total) species were selected by both types of indices. Our results emphasized the need to consider functional aspects of biodiversity in diversity-conservation strategies when the objectives are to preserve both taxonomic diversity and ecosystem functioning (Chapter 4).
Thirdly, we proposed a conceptual framework as a tool for the selection of suitable indicators to measure botanical quality in the vineyard agroecosystem. This framework was devised based on four criteria for the selection of indicator plant species: 1) Management intensity, 2) Components of biodiversity, 3) Vulnerability and threat of extinction, 4) Real and potential harm to biodiversity. Applying the framework to the vineyards of Southern Switzerland allowed to select a total of 118 species (Chapter 5).
Lastly, we investigated the role of leafhoppers as vectors of two plant pathogens (phytoplasmas) which cause two important diseases to grapevine (Flavescence dorée- FD and Bois noir- BN). The diseases control strategies are not always effective and an in-depth study on the epidemiological cycles of the pathogens at regional scale is of paramount importance. In this study, we investigated the occurrences of known and potential vectors of phytoplasmas in vineyards and the multilocus sequence typing (MLST) approach was used to characterize the genetic diversity of phytoplasma isolates in the insect bodies. Out of 167 leafhopper species recorded, 27 were known or potential vectors of phytoplasmas and five of those tested positive for phytoplasmas. Scaphoiodeus titanus was infected by 16SrV-D subgroup phytoplasma and no clear relationship between its population density and disease outbreaks was observed. Orientus ishidae harboured 16SrV-C and 16SrV-D subgroups suggesting its potential role in spreading 16SrV-C phytoplasma isolates from arboreal plants to grapevine, and FD-D from grapevine to grapevine. Hyalesthes obsoletus was infected by BN phytoplasmas, tuf-types a and b, however it was collected with relatively low abundance. Reptalus panzeri and R. cuspidatus tested positive to tuf-type b, but only R. cuspidatus was common and abundant in the investigated vineyards. To define the range of alternative vectors using a detailed approach on regional scale provides background information to get a more clear vision on the spreading of phytoplasmas in the vineyards (Chapter 6).
We discuss the general consequences of our findings in the frame of sustainable management strategy of vineyards, as well as future lines of research in a concluding chapter. - PublicationAccès libreLa faune du sol comme indicateur de la qualité des sols urbains: étude des communautés de vers de terre, d'enchytréides et de nématodes et de leurs relations avec des sols d'âges différents(2014)
; ; Les sols sont l’une des composantes essentielles de l’écosystème urbain. Ils y jouent un rôle majeur dans la régulation du climat, le cycle de la matière organique et des éléments nutritifs. Tous ces processus sont, à des degrés divers et comme dans les sols non urbains, contrôlés par les organismes vivants du sol pour lesquels le sol remplit une fonction d’habitat. La faune du sol - précieux révélateur des activités humaines sur les changements d'état ou de fonctionnement des sols - reste jusqu’ici très peu étudiée en contexte urbain. Comparativement aux écosystèmes naturels ou agricoles, il n’est pas certain que les bioindicateurs usuels soient utilisables et performants dans le cas des sols urbains. Ainsi, l’objectif principal a donc été d’évaluer l’applicabilité des bioindicateurs retenus dans les sols naturels et agricoles dans le contexte urbain.
Dans une approche synchronique, dix-huit sols de différents âges – datant d’avant le XIème jusqu’au début du XXIème siècle - ont été choisis en ville de Neuchâtel et comparés à des sols au comportement jugés proches, les sols alluviaux; dans cette étude, ceux de la réserve naturelle de l’Allondon (canton de Genève) ont été sélectionnés. L’étude des sols et de la faune du sol s’est organisée autour de cinq parties: i) description classique de profils de sols in situ, ii) analyses de descripteurs physico‐chimiques, biotiques et fonctionnels: teneur en eau, pourcentage de squelette, perte au feu (PAF), texture, pHH2O, pHKCl, capacité d’échange cationique (CEC), Corg, Ntot, Polsen, Ptot, Catot, activité enzymatique globale (FDA, Fluoresceine DiAcétate), respiration du sol, abondance bactérienne et teneur en ergostérol, iii) extraction et identification de la faune du sol avec les méthodes appropriées pour chaque groupe (vers de terre, enchytréides et nématodes), iv) étude des communautés (densité, diversité et groupes fonctionnels) entre elles et de leurs relations avec l’âge, les caractéristiques physico-chimiques et fonctionnelles des sols urbains et, enfin, iv) étude comparative en microcosmes d’un sol urbain et alluvial visant à mieux situer le fonctionnement des sols urbains, notamment à travers les processus de structuration du sol et de dynamique de la matière organique suite à l’activité de la faune du sol (vers de terre endogés).
Nos résultats montrent que, selon le niveau de perturbation des sols, les sols urbains ont des caractéristiques physico-chimiques (teneur en argile élevée en fonction de la maturité des sols), pédologiques (processus de décarbonatation) et fonctionnelles (formation d’horizons organo-minéral A et structuré S) proches de celles des sols alluviaux naturels. Dans le cadre de l’étude expérimentale et pour les processus étudiés (structuration du sol, transformation de la matière organique), les sols urbains semblent aussi fonctionner de manière très similaire aux sols alluviaux, ce qui leur permet d’assurer, en ville, des services écosystémiques identiques (ex : régulation du climat, production primaire). À différents niveaux trophiques, les communautés faunistiques étudiées ne sont pas corrélées entre elles et informent sur des particularités différentes des sols urbains : (i) les conditions de leur mise en place (épaisseur du sol) influençant la proportion des catégories écologiques des vers de terre et notamment des anéciques; (ii) leur stabilité (âge des sols) à travers la proportion de stratèges r chez les enchytréides et l’indice de structure (indice fondé sur la complexité des réseaux trophiques) pour les nématodes; et, (iii) leur mode de gestion (arrosage, apports de matériaux carbonatés) corrélé aux structures des communautés de nématodes et d’enchytréides.
De par leur répartition ubiquiste, leur abondance, leur facilité d’extraction et d’identification au niveau de l’espèce/genre et d’un groupe fonctionnel, les vers de terre, les enchytréides et les nématodes peuvent être considérés comme de potentiels indicateurs reflétant les particularités fonctionnelles des sols urbains d’un point de vue physique (structuration du sol par les vers de terre favorisant le régime hydrique du sol et la décomposition de la matière organique par les enchytréides) et chimique (cycle des élément nutritifs assurés par les nématodes). Ces groupes bioindicateurs – définis comme une priorité pour le gouvernement et pour la gestion des territoires urbains en Suisse – permettent de contribuer au développement de méthodes fiables d’évaluation de la qualité des sols urbains. - PublicationAccès librePhylogeny, systematics and ecology of free living protists: case study: family Hyalospheniidae(2014)
; Despite the fact that free-living protists compose the major part of Earth’s eukaryotic biodiversity and play numerous essential roles in ecosystems, knowledge on their true diversity, evolution and ecology remain highly limited.
In this thesis I choose testate amoebae as a model group to address several key questions on the diversity, evolution and ecology of free-living protists. Family Hyalospheniidae is one of the most species-rich and conspicuous families of testate amoebae combining species with a broad range of test shapes and ultra-structures. Some species are easily identifiable but several species complexes are composed of an unknown number of cryptic and pseudocryptic forms. Thus this is an excellent model group to address open questions on the concept of the species in free-living protists, to assess the validity of characters used to define “true species” and to reveal the true diversity and ecology of these organisms. The studies presented in this thesis are based on the combination of morphological (light and scanning-electron microscopy) and molecular approaches (mitochondrial cytochrome oxidase subunit 1 - COI - sequence data).
We used COI to assess the phylogenetic relationships and taxonomy of the family Hyalospheniidae in order to assess the validity of morphological characters within this group (Chapter 1). The COI data successfully separated all studied morphospecies and revealed the existence of several cryptic species. The phylogenetic analysis shows that genus Nebela was paraphyletic and could be split into genus Nebela s.str. and a newly defined genus, Padaungiella. Family Hyalospheniidae Schulze was redefined: Genus Quadrulella, one of the few arcellinid genera building its shell from self-secreted siliceous elements, the mixotrophic Hyalosphenia papilio, and six other genera of true Nebelids (Apodera, Alocodera, Certesella, Nebela, Porosia, Padaungiella) were included in this family, while genera Argynnia and Physochila did not. Thus we redefined the family as Hyalospheniidae Kosakyan et Lara, which now includes Hyalosphenia, Quadrulella (previously in the Lesquereusiidae) and all true Nebelids. We defined the general morphology of the shell and the presence of an organic rim around the aperture as synapomorphies for Hyalospheniidae.
Our next task was to analyse in more depth the complex group of species in the Hyalospheniids.
We examined the relationship between the morphological and genetic diversity within two species complexes, Nebela collaris s.l. and Quadrulella symmetrica s.l. We combined analyses of light microscopy imaging and COI sequence data obtained from the same individual single cell (Chapters 2 and 3). We showed that small variations in test morphology easily overlooked by traditional taxonomy corresponded to separate, sometimes quite divergent, genotypes. The position of each taxa within species complex was revised, and overall the taxonomy of these two species complexes was redefined.
We developed a method to estimate the qualitative and quantitative community structure of Nebela collaris species complex from environmental samples, and validated this approach through microscopic observations (Chapter 4). We assessed the relative biomass and density of species using cloning-sequencing of the mitochondrial cytochrome oxydase (COI) gene amplified from environmental DNA and from artificial communities. Comparisons with direct microscopy counts showed that the COI clone library data were correlated to community counts corrected for biovolume, which allowed making inferences about individual taxon abundance and biomass in a community. We then used this approach to define the ecological niches of closely related /cryptic species in the different microhabitats that compose a peatland complex (Appendix I, contribution as a second author). Our sequence analysis revealed four of the seven barcoded Nebela collaris s.l. species, plus two new genotypes of yet unknown morphology. Species ranged from generalists found in most habitats (e.g. N. collaris) to specialists, encountered only but pervasively in particular habitats (e.g. N. rotunda in forested bogs). Experimental approaches would be needed to assess whether the observed niches correspond to the ecological optimum of the different species or if some at least are pushed towards less favourable habitats by competition. Our study suggests that speciation should have occurred sympatrically by specialization towards divergent niches instead of through geographical isolation.
My direct contribution to the taxonomy of this group was the introduction of one new genus Padaungiella Lara et Todorov, and four novel species of Nebela: N. aliciae Mitchell et Lara, N. guttata Kosakyan et Lara, N. meisterfeldi Heger et Mitchell, N. pechorensis Kosakyan et Mitchell. Additionally at least 3 potentially new Quadrulella species will be described (work in progress).
Finally we compiled all known taxonomic, molecular and ecological data on hyalospheniid testate amoeba in a monograph entitled “Family Hyalospheniidae” (Chapter 5). Based on a careful revision of historical data combined with recent molecular data, this work aims at establishing a clear state of the art of current knowledge on the diversity of this family, providing improved species descriptions of hyalospheniid testate amoebae and hopefully to familiarize a broader audience with these beautiful protists.
Overall my thesis illustrates how traditional taxonomy often underestimates the true diversity of microorganisms, and calls for a renewed research effort on the taxonomy of free-living protists. My work contributes of understanding of a tiny piece of microbial diversity and shows how a combination of morphological and molecular approached can help improving our knowledge on the evolution, systematics and ecology of these organisms. - PublicationAccès libreSpatio-temporal variability and restoration effects on below-ground biodiversity and soil ecosystem functioning at the Thur floodplain, Switzerland(2013)
; Biodiversity and its link to ecosystem functioning are the main subjects of a large variety of studies nowadays, because of the tremendous rapidity at which they are altered as a consequence of direct human impact or as a delayed effect of global changes. Floodplains are acknowledged to be among the most diverse ecosystems on the planet, in terms of species diversity, but also genetic, habitat and functional diversity. Restoration projects aiming at recovering the biodiversity and associated functions and services provided by riverine floodplains are increasing and there is a pressing need for understanding their spatio-temporal complexity. In this work, I investigate the impact of floods and soil habitat diversity on the spatial and seasonal heterogeneity of soil carbon pools and fluxes, ecosystem functioning proxies, bacterial and eukariotic diversity and community structure. The study site is a restored floodplain on the Thur river in northeast Switzerland. In seven functional processes zones, over a six seasons period, soil samples were collected and soil texture and nutrient, carbon pools and fluxes, temperature, soil moisture and flooding regime, enzymatic activity, respiration and microbial biomass were measured. Soil DNA was extracted and bacterial and eukaryotic communities were analysed using respectively terminal restriction fragment length polymorphism (t-rflp) profiles and Illumina high-throughput sequencing.
Our results showed gradual changes in texture along the gradient of distance from the river, which together with water retention capacity and inundation regime, explained the spatial variability of carbon fluxes. Also increasing along this gradient was total eukaryotic microorganism diversity. Bacterial community structure was tightly linked to ecosystem functioning proxies, but what significantly influenced its variability was soil texture and nutrients. Soil diversity, nutrients and moisture also determined decomposition rates heterogeneity. Temperature and inundation regime mostly appear as indirect drivers of soil diversity and ecosystem functioning. But effects of soil conditions and climate result in patterns that vary extremely among taxa. Although the bacterial community was spatially different, temporal effect of climatic conditions dominated and resulted in strong temporal variation in the community structure. On the other hand micro eukaryotic communities were spatially much more differentiated than temporally. But different eukaryotic taxa showed contrasting patterns. Taxa that were more abundant were also more evenly distributed across FPZ and seasons, while less abundant taxa, and especially those related to aquatic environments show higher variability.
Soil texture and nutrient content, both maintained by natural pulsing flooding regime, proved to be important determinants of bacterial community structure heterogeneity and eukaryotic diversity. Causal relationships between habitat, processes and biodiversity are highly complex and direct connections are difficult to establish, unless specific organism ecology is considered, but all biotic and abiotic factors analysed in this study showed a strong dependence on the soil structure and the natural flooding regime.