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1 - INTÉRÊTS DES MICRO-ORGANISMES POUR ÉVALUER LA QUALITÉ BIOLOGIQUE DES SOLS

2 - TECHNIQUES DE MÉTA-OMIQUES : PRINCIPE, MÉTHODOLOGIES ET APPLICATIONS

  • 2.1 - Spécificités de l'analyse des échantillons de sols
  • 2.2 - Meta-barcoding (ou méta-génomique ciblée) pour l’étude de la diversité microbienne
  • 2.3 - Méta-génomique pour l’étude du potentiel génétique des communautés microbiennes
  • 2.4 - Méta-transcriptomique dédiée à l’étude des communautés microbiennes actives
  • 2.5 - Caractérisation de l’activité des communautés microbiennes : méta-protéomique et métabolomique environnementale

3 - APPORT DES MÉTA-OMIQUES POUR L’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DES SOLS

4 - DÉVELOPPEMENTS FUTURS

5 - CONCLUSIONS

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : GE1052 v1

Nouvelles techniques de méta-omiques pour le diagnostic de la qualité microbiologique des sols

Auteur(s) : Christophe DJEMIEL, Sébastien TERRAT

Date de publication : 10 oct. 2019

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RÉSUMÉ

Les nouvelles techniques de méta-omiques ont bouleversé le domaine de l’écologie microbienne, notamment grâce à l’apport des nouvelles techniques de séquençage à haut débit. Cette révolution a aussi été bénéfique en proposant des outils afin de mesurer et de réaliser des diagnostics de la qualité microbiologique des sols. Quels sont les bio-indicateurs utilisés ? Comment sont-ils étudiés et appliqués à grande échelle ? Dans cet article, seront présentées les différentes techniques de méta-omiques illustrées par des exemples validés ou en cours de validation ainsi que les développements futurs afin de répondre à l’enjeu essentiel d’une meilleure compréhension et préservation des sols.

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ABSTRACT

New meta-omics techniques for diagnosis of soil microbial quality

The new meta-omics techniques have upset the field of microbial ecology, particularly due to the contribution of the new high-throughput sequencing technologies. This revolution has benefited from fundamental research point of view but also by giving access to tools dedicated to new measurements and to carry out soil microbial quality diagnosis. What are the bio-indicators used? How are they studied and applied on a large scale? This article will be focused on the different meta-omic techniques illustrated by valid or undergoing validation examples, as well as future developments in order to answer the essential challenge of a better understanding and preservation of the soil.

Auteur(s)

  • Christophe DJEMIEL : Post-doctorant à l’INRA de Dijon, docteur en biologie de l’environnement, des populations, écologie de l’université de Lille - UMR 1347 Agroécologie – INRA/université de Bourgogne/AgroSup, pole BIOmE – équipe BIOCOM, Dijon, France

  • Sébastien TERRAT : Maître de conférence à l’IUT de Dijon-Auxerre, docteur en écologie microbienne des sols de l’université Blaise Pascal (Clermont II) - UMR 1347 Agroécologie – INRA/université de Bourgogne/AgroSup, pole BIOmE – équipe BIOCOM, Dijon, France

INTRODUCTION

Au cours des deux dernières décennies, l’écologie microbienne n’a pas échappé à l’explosion des données connu sous le terme de « Big Data » (mégadonnées en français), notamment à cause de l’apparition de techniques de séquençage à très haut débit, générant des quantités massives de données . L’utilisation de ces nouvelles technologies regroupées sous le terme de « méta-omiques », associée à l’obtention de matériel biologique (ADN, ARN, protéines) directement d’un écosystème ont permis d’appréhender celui-ci non plus à l’échelle d’un organisme (méthodes « omiques ») mais en caractérisant l’ensemble des communautés d’organismes d’un écosystème . Cette révolution a permis d’accroître nos connaissances sur la complexité du microbiome de différents écosystèmes naturels, comme les sols .

Les sols jouent un rôle central dans de nombreuses fonctions, et leurs microbiomes remplissent de nombreux services écosystémiques pour maintenir une qualité environnementale, ces derniers étant impactés par les activités humaines . Par exemple, les micro-organismes des sols sont impliqués dans de nombreux cycles biogéochimiques, mais aussi dans d’autres fonctions comme la productivité végétale ou la barrière aux pathogènes. De plus, il a été possible d’identifier une série de facteurs (par exemple l’anthropisation, le dérèglement climatique) impliqués dans le changement de la qualité des sols, et en conséquence dans leur microbiome.

C’est pourquoi la qualité des sols ne se limite pas au degré de pollution à l’instar de l’eau et de l’air. Elle est définie plus largement comme « la capacité d’un sol à fonctionner dans les limites de son écosystème et de l’utilisation des terres pour maintenir la productivité biologique, maintenir la qualité de l’environnement et promouvoir les plantes et la santé animale » . Évaluer la qualité des sols ne se limite donc plus à déterminer certaines caractéristiques physico-chimiques. Elle doit prendre en compte la part biologique des sols, et notamment microbiologique, à travers la définition de nouveaux bio-indicateurs, et cela est devenu possible grâce à la démocratisation des technologies de « méta-omiques ».

Le concept d’indicateurs, largement répandu pour la surveillance de l’environnement en réponse à une gamme de stress et/ou de perturbations anthropiques ou naturels, renseigne sur l’état, les tendances et la gravité de la situation, permettant une prise de décision sur les solutions à apporter ou à soutenir .

Pour parvenir à une compréhension plus claire sur la qualité des sols (qu’ils soient naturels, agricoles, urbains ou industriels), et ainsi améliorer leurs diagnostics, il est recommandé d’utiliser différents indicateurs complémentaires les uns des autres (par exemple physique, chimique et/ou biologique) .

Le microbiome du sol, c’est-à-dire l’ensemble des micro-organismes du vivant et les conditions environnementales associées, est considéré comme l’un des indicateurs les plus sensibles pour mesurer la qualité du sol du fait que celui-ci répond rapidement aux changements environnementaux .

Cet article se focalisera uniquement sur les indicateurs biologiques dit « bio-indicateurs » et plus précisément sur la diversité et les fonctions des communautés microbiennes. Le rôle des micro-organismes dans les sols sera brièvement introduit, puis les méthodes d’étude basées sur les « méta-omiques » seront présentées. Enfin, l’intérêt de ces nouvelles technologies et leur utilisation pour la définition de nouveaux bio-indicateurs sera abordée.

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KEYWORDS

Microbiology   |   Next generation sequencing   |   meta-omics   |   diagnosis   |   bioindicator   |   soil

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-ge1052


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FARLEY (S.S.), DAWSON (A.), GORING (S.J.), WILLIAMS (J.W.) -   Situating ecology as a big-data science : Current advances, challenges, and solutions.  -  Bioscience, 68, p. 563-576. doi :10.1093/biosci/biy068 (2018).

  • (2) - PERŠOH (D.) -   Plant-associated fungal communities in the light of meta’omics.  -  Fungal Divers, 75, p. 1-25. doi :10.1007/s13225-015-0334-9 (2015).

  • (3) - FIERER (N.) -   Embracing the unknown : Disentangling the complexities of the soil microbiome.  -  Nat Rev Microbiol. Nature Publishing Group, 15, p. 579-590. doi :10.1038/nrmicro.2017.87 (2017).

  • (4) - DORAN (J.W.), PARKIN (T.B.) -   Defining an assesing soil quality.  -  Defin Soil Qual a Sustain Environ, p. 3-21 (1994).

  • (5) - BÜNEMANN (E.K.), BONGIORNO (G.), BAI (Z.), CREAMER (R.E.), DE DEYN (G.), DE GOEDE (R.) et al -   Soil quality – A critical review.  -  Soil Biol Biochem. Elsevier, 120, p. 105-125. doi :10.1016/j.soilbio.2018.01.030 (2018).

  • ...

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