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Mitchell, Edward
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Mitchell, Edward
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Professeur ordinaire
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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 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 libreChecklist, diversity and distribution of testate amoebae in Chile
; Bringing together more than 170 years of data, this study represents the first attempt to construct a species checklist and analyze the diversity and distribution of testate amoebae in Chile, a country that encompasses the southwestern region of South America, countless islands and part of the Antarctic. In Chile, known diversity includes 416 testate amoeba taxa (64 genera, 352 infrageneric taxa), 24 of which are here reported for the first time. Species−accumulation plots show that in Chile, the number of testate amoeba species reported has been continually increasing since the mid-19th century without leveling off. Testate amoebae have been recorded in 37 different habitats, though they are more diverse in peatlands and rainforest soils. Only 11% of species are widespread in continental Chile, while the remaining 89% of the species exhibit medium or short latitudinal distribution ranges. Also, species composition of insular Chile and the Chilean Antarctic territory is a depauperated subset of that found in continental Chile. Nearly, the 10% of the species reported here are endemic to Chile and many of them are distributed only within the so-called Chilean biodiversity hotspot (ca. 25°S-47°S). These findings are here thoroughly discussed in a biogeographical and evolutionary context. - PublicationAccès libreTowards a Holarctic synthesis of peatland testate amoeba ecology: Development of a new continental-scale palaeohydrological transfer function for North America and comparison to European data
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