Combining experiments and modelling to study microbial coexistence in heterogeneous environments - Kuhn, Thierry (Neuchâtel, 2023)
Dans la nature, nous observons une grande diversité qu’il est difficile d’expliquer en considérant uniquement l’hypothèse de naturalisation de Darwin. Il doit donc y avoir une multitude de mécanismes différents qui permettent la coexistence des espèces, ce qui va à l'encontre de l'hypothèse de naturalisation. Dans ma thèse, je me suis concentré sur deux mécanismes qui ont été proposés pour avoir un impact positif sur la coexistence d'espèces étroitement liées dont les niches se chevauchent. Le premier mécanisme, étudié dans les deux premiers chapitres, est « l'évitement spatial » et plus précisément, le compromis exploration-exploitation : à échelle locale, une souche à forte motilité utilise la dispersion pour éviter la compétition avec une souche plus compétitive. Dans le cadre expérimental, j’ai utilisé un système d’autoroutes fongiques pour permettre « l’évitement spatial » et deux souches de Pseudomonas putida génétiquement proches partageant une niche similaire. Mes résultats expérimentaux montrent que la compétition à l'échelle locale conduit à l'exclusion compétitive tandis que la compétition régionale favorise la coexistence. Le compromis exploration-exploitation favorise la coexistence si les deux souches sont inoculées dans des gouttelettes séparées sur les réseaux de dispersion. Il a été démontré précédemment que les conditions de compétition intermédiaires dans les expériences de compromis exploration-exploitation permettent la coexistence, ce qui est similaire à mes résultats. Pour étudier le compromis exploration-exploitation dans un environnement plus contrôlé, j'ai utilisé la technologie d’impression 3D pour développer deux dispositifs imitant différents états de saturation en eau du sol. Le dispositif de « sentier » imite un sol entièrement saturé et permet la dispersion passive des microbes. Le dispositif de « pont » imite un sol semi-saturé et permet uniquement une dispersion active et l'auto-stop. En plus de la création de ces deux dispositifs permettant d'étudier la dispersion des bactéries, l'auto-stop et la dynamique des populations le long d'un réseau abiotique contrôlable, j'ai également prouvé le potentiel de l'impression 3D en microbiologie. Dans mon troisième chapitre, j'ai étudié le deuxième mécanisme, à savoir la « compétition non-transitive ». J'ai utilisé trois souches d'Escherichia coli pour étudier la dynamique des populations à l'aide d'un système basé sur le jeu classique des enfants "pierre-papier-ciseaux" (PPC) et ai développé un mini-bioréacteur pour la réalisation des expériences. Nous avons utilisé les bioréacteurs et un modèle basé sur l'individu pour étudier les effets du milieu de culture (composition en nutriments) et d’une toxine sécrétée dans l’environnement (production, diffusion et élimination). Les différentes compositions en nutriments testées dans les bioréacteurs ont changé la dynamique de façon spectaculaire, favorisant une seule souche dominante d'E. coli dans tous les traitements sauf un. L'élimination de la toxine n’a eu que des effets mineurs sur la dynamique de la population, mais j'ai montré que la quantité de toxine retenue dans le système pouvait prédire la coexistence possible dans une large gamme de paramètres. De plus, nous avons mis en évidence l'importance de la diffusion de la toxine sur la dynamique de la population et montré sa corrélation avec les schémas de dispersion. En générant le bioréacteur, nous avons créé l'opportunité d'étudier la compétition non-transitive dans un contexte spatial et de combiner les deux mécanismes.
Abstract In nature we find a high amount of diversity which is hard to explain, if we only consider Darwin's naturalization hypothesis. There must be multiple different mechanisms which allow the coexistence of the species and thereby work against the naturalize hypothesis. In my thesis, I focused on two mechanisms that have been proposed to positively impact the coexistence of closely related species with overlapping niches. The first mechanism investigated in the first two chapters was spatial avoidance. To be more precise, I focused on the exploration-exploitation trade-off, in which a motile strain with higher motility uses dispersal to avoid competition with a more competitive strain on a local scale. To allow spatial avoidance, fungal highways were used in the experiments. I used two closely related Pseudomonas putida strains to investigate whether fungal highways support the maintenance of biodiversity of closely related strains sharing a similar niche. My experimental results show that competition on the local scale led to competitive exclusion while regional competition promoted coexistence. The exploration-exploitation trade-off promoted coexistence if the two strains were inoculated in separated droplets on the dispersal networks. It has been previously shown that intermediate competition conditions in exploration-exploitation trade-off experiments allow for coexistence, similar to my findings. To investigate the exploration-exploitation trade-off in a more controlled environment, I developed two devices mimicking different states of water saturation in soil using 3D-printing technology. The trail device mimics fully-saturated soil and allows for the passive dispersal of microbes. The bridge device mimics semi-saturated soil and only allows for active dispersal and hitchhiking. I did not just create two devices which enable studying bacterial dispersal, hitchhiking and population dynamics along controllable abiotic network but also proved the potential of 3D-printing in microbiology. In my third chapter, I investigated the second mechanism, which was non-transitive competition. I used three Escherichia coli strains to study the population dynamics using a system based on the classic childrens´ rock-paper-scissors (RPS) game. To investigate the population dynamics and cycles based on the RPS game in three Escherichia coli strains, I developed a mini bioreactor for the experiment. We used the bioreactors and an individual-based-model (IBM) to investigate the effects of the nutrient composition, toxin production, diffusion and removal. The different nutrient compositions in the bioreactors changed the dynamics dramatically, favouring a single dominant E. coli strain in all but one treatment. The toxin removal had minor effects on the population dynamics, but I showed that the amount of released toxin retained in the system predicts possible coexistence across broad parameter space. Furthermore, we highlighted the importance of toxin diffusion on the population dynamics and showed its correlation to dispersal patterns. By creating the bioreactor, we created the opportunity to study the non-transitive competition in a spatial background and combine the two mechanisms.
Zusammenfassung Die überwältigende Diversität in natürlichen Systemen ist schwer zu erklären, wenn man nur Darwins Theorien zurate zieht. Es muss noch andere Mechanismen geben, die es gegen das Aussterben und für die Koexistenz von Arten wirken. In meiner Doktorarbeit untersuchte ich zwei Mechanismen, welche die Koexistenz von nahe verwandten Spezien mit überlappenden Nischen positiv beeinflussen. Den ersten Mechanismus, welche in den ersten beiden Kapiteln meiner Doktorarbeit untersuchte, war der Kompromiss zwischen Erkundung und Ausbeutung von neuen Ressourcen. Dieser besteht, wenn ein mobiler Bakerienstamm seine Mobilität nutzt, um sich der lokalen Konkurrenz eines kompetitiveren Stamms zu entziehen. Um die räumliche Meidung zu ermöglichen, wurden ein Netzwerk aus Pilzhyphen verwendet («fungal highways»), welches die Verbreitung von Bakterien erlaubt. In diesen Experimenten verwendete ich zwei verwandte Pseudomonas putida Stämme. Diese Bakterien verwendete ich, um den Einfluss des Pilznetzwerks auf die Biodiversität von nah verwandten Arten zu untersuchen. Meine Resultate zeigen, dass die Konkurrenz auf der lokalen Ebene zum Ausschluss einer der beiden Bakterienstämmen führt, während auf der regionalen Ebene die Koexistenz gefördert wird. Da die Bakterien entweder gut im Erschliessen oder im Ausbeuten sind aber nicht beides, erlauben diese unterschiedlichen Fähigkeiten, dass die beiden Bakterienstämme koexistieren, wenn sie getrennt inokuliert wurden. Es ist ein weit verbreitetes Phänomen, dass intermediäre Bedingungen, wie bei uns in der getrennten Inokulation, die Koexistenz zwischen verschiedenen Organismen fördern. In unseren Experimenten mit dem Pilznetzwerk fehlte uns die Möglichkeit, die Experimente in einem kontrollierten abiotischen Umfeld durchzuführen. Deswegen verwendete ich 3D-Drucker um zwei Kontrollen zu entwickeln, die das Habitat einmal gesättigt und einmal teils gesättigt simulieren. Das Trail-Device simuliert das komplett gesättigte Habitat und erlaubt dadurch die passive Migration von Mikroben. Das Brückensystem wiederum erlaubt die Simulation von teils gesättigtem Habitat, in diesem können sich Mikroben nur unter Einsatz von Energie aktiv fortbewegen. Mit diesen beiden Gerätschaften habe ich nicht nur den Grundstein gelegt, um die Verteilung von Mikroben zu untersuchen, sondern auch eine Möglichkeit, um Populationsdynamiken zu erforschen. Durch die Verwendung von 3D-Druckern konnte ich deren Potential in der Mikrobiologie aufzeigen. Im dritten Kapitel meiner Doktorarbeit untersuchte ich wie non-transitive Konkurrenz die Koexistenz von unterschiedlichen Spezien oder Bakterienstämme erlaubt. Hierzu verwendete ich drei unterschiedliche Escherichia coli Stämme. Die Populationsdynamiken zwischen den drei E.coli Stämmen erinnert and das Kinderspiel Schere-Stein-Papier, in welchem es keinen zuvor definierten Gewinner gibt. Um diese Dynamiken experimentell genauer unter die Lupe zunehmen entwickelte ich einen Mini-Bioreaktor, welchen ich wiederum mit 3D-Drucken herstellte. Zusätzlich zu den Experimenten, verwendeten wir Computersimulationen um den Effekt von Nährstoffen, Giftproduktion, -diffusion und -entfernung auf die Populationsdynamiken zu untersuchen. Unsere Forschung zeigte, dass die Nährstoff Zusammensetzung einen grossen Einfluss auf den Ausgang der Experimente hatte. In fünf von sechs Zusammensetzungen war einer der drei Bakterienstämme dominant. Im Vergleich zu den Nährstoffen hatten die Giftentfernung einen kleineren Einfluss auf die Populationsdynamiken. Unsere Simulationen zeigten jedoch, die Diffusionsgeschwindigkeit einen grossen Einfluss auf den Ausgang der Simulationen hatte. Dabei unterstützten mittlere Geschwindigkeiten die Koexistenz und die beiden extremen Polen verhinderten diese. Ein weiteres Resultat war, dass die maximal erreichbare Giftkonzentration ein guter Indikator für Koexistenz ist. So erlauben nur mittlere Konzentrationen Koexistenz. Mit den in dieser Doktorarbeit entwickelten Gerätschaften können in der Zukunft, die Verteilung von Mikroben untersucht werden oder durch eine Verknüpfung der Bioreaktoren zu einem Netzwerk die nicht transitive Kompetition in einem räumlichen Kontext untersucht werden.
, Doctorat, Université de Neuchâtel, Institut de biologie
Keywords: Biodiversité; coexistence; évitement spatial; compromis exploration-exploitation; impression 3D; auto-stop bactérien; compétition non-transitive; dynamique pierre-papier-ciseaux; modélisation informatique; Biodiversity; coexistence; spatial avoidance; exploration-exploitation trade off; 3D-printing; bacterial hitchhiking; non-transitive competition; rock-paper-scissors dynamics; computer modelling; Biodiversität; Koexistenz; räumliche Meidung; Erkundungs-Ausbeutung Kompromiss; 3D Drucken; bakterieller Autostopp; nichttransitive Kompetition; Schere-Stein-Papier Dynamiken; Computermodelle