Assessing the microbial community dynamics and the role of bacteriophages in bacterial mortality in Lake Geneva Dynamique des communautés microbiennes et rôle fonctionnel des virus bacteriophages du lac Léman

Summary

The aims of this work were to study, for the first time, the succession of microbial communities (from viruses to ciliates) in the largest occidental European lake (Lake Geneva) and to perform two one-week in situ experiments in March-April (Exp1) and May (Exp2) 2004 in order to assess both small flagellate protozoan and virus-induced mortality of heterotrophic bacteria. Both nanoflagellates and viruses could be responsible for 31 to 42% of the total daily mortality of heterotrophic bacteria. In May (Exp2), viruses could explain up to 10% of the bacterial mortality whereas flagellates were responsible for 32% of the bacterioplankton removal. These results provide new evidence for the critical role played by viruses in the functioning of the microbial food webs and highlight the importance of further considering this biological compartment for a better understanding of the plankton ecology of Lake Geneva.

Keywords:

• lake,
• protists,
• viruses,
• bacteria,
• bacterial mortality,
• community dynamics,
• dilution method

Résumé

Il est aujourd’hui bien établi que l’on ne peut prétendre comprendre le rôle du vivant dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques sans répondre à un certain nombre de questions fondamentales telles que celles portant sur l’identité et l’abondance des organismes présents, leurs taux métaboliques et reproductifs, ou encore leurs fonctions précises dans l’écosystème. Dans les systèmes lacustres, l’omniprésence et le rôle-clé des processus microbiens ont été largement démontrés au cours des deux dernières décennies. Toutefois, les mécanismes de régulation ainsi que la diversité fonctionnelle des communautés microbiennes demeurent un sujet central de la recherche actuelle. Si nous avons commencé à accumuler de grandes quantités d’informations concernant le compartiment bactérien, il n’en est pas de même pour le compartiment contenant les plus petites et les plus abondantes entités biologiques de la colonne d’eau : les virus. L’importance qualitative, quantitative et fonctionnelle des virus bactériophages et leur impact dans le contrôle et le déclin des communautés bactériennes dans les écosystèmes lacustres sont en effet encore mal connus. On sait aujourd’hui que les virus interviennent dans les processus de perte (mortalité) qui affectent les communautés microbiennes, mais aussi dans la structure en taille, la composition et la régulation de la diversité des peuplements microbiens, dans le recyclage des nutriments inorganiques et de la redistribution de la matière organique.

Dans ce travail, nous avons étudié, pour la première fois, la dynamique des communautés microbiennes dans le plus grand lac naturel d’Europe occidental (le lac Léman) entre février et juin 2004. Le dénombrement des différents micro-organismes (effectué à huit profondeurs comprises entre 0 et 50 m) a été obtenu via la cytométyrie en flux et la microscopie à épifluorescence. Cette approche « écosystémique » nous a permis d’acquérir une image aussi précise que possible de la structure et de la dynamique de la communauté microbienne, composée des picocyanobactéries, des bactéries hétérotrophes, de petits eucaryotes flagellés et ciliés hétérotrophes et mixotrophes et enfin des virus. Typiquement, il a pu être mis en évidence des liens étroits entre certaines communautés, comme par exemple les bactéries et les virus du groupe VLP1 (r = 0,51; p < 0,05; n = 72), suggérés être, pour l’essentiel, représentatifs de la communauté des bactériophages.

Parallèlement au suivi limnologique des communautés, une approche expérimentale in situ, à différentes périodes de l’année, a aussi été utilisée, afin d’estimer la part relative de la prédation par les protozoaires flagellés et de l’impact des virus sur la mortalité bactérienne. La méthode mise en application ici est dérivée de la technique de dilution initialement proposée pour évaluer l’impact du broutage des organismes zooplanctoniques sur le phytoplancton. Un échantillon intégré entre 0 et 10 m de la colonne d’eau a été pré-filtré sur 100 µm puis 11 µm pour ne conserver que les communautés virales, bactériennes et protistes flagellés, soumises alors à des dilutions successives en présence (eau filtrée sur 0,2 µm) ou absence (eau ultrafiltrée sur 100 kDa) de la communauté des virus.

Ces expériences, réalisées en microcosmes de 0,5 litre, ont été conduites en mars - avril (Exp1) et en mai (Exp2) 2004. Nos résultats ont révélé que les nanoflagellés et les virus étaient responsables ensemble de 31 à 42 % de la mortalité bactérienne journalière. En mai, les virus expliquaient à eux seuls 10 % de la mortalité bactérienne, et les nanoflagellés 32 %. Ces données suggèrent que la lyse virale peut induire des changements dans l’importance relative des groupes fonctionnels de la chaîne alimentaire et qu’elle est d’une importance significative sur la mortalité du bactérioplancton.

Les expériences en microcosmes ont également permis de détecter une population virale VLP4, discriminable par cytométrie en flux des autres communautés de par ses caractéristiques de taille et de fluorescence. L’analyse précise des abondances de ce groupe et des autres communautés nous a alors permis de montrer une relation étroite entre les abondances des VLP4 et de petits eucaryotes pigmentés (r = 0,38; p < 0,05; n = 58), suggérant que ce groupe de virus pouvait être spécifique de ces cellules autotrophes.

L’ensemble des résultats acquis met en évidence l’importance des virus dans le fonctionnement du réseau trophique microbien et la nécessité de considérer désormais ce compartiment biologique pour mieux comprendre l’écologie planctonique du Léman.

Mots clefs:

• lacs,
• protozoaires,
• virus,
• bactéries,
• mortalité bactérienne,
• dynamique des communautés,
• méthode de dilution