Exploring the deep ocean seafloor Bacteria and Archaea, from microbial community structure to comparative genomics

Marine sediments cover around 65% of the Earth’s surface and microorganisms inhabiting these environments play an essential role in marine biogeochemical cycles. Located at the interface between pelagic and subsurface communities, benthic Bacteria and Archaea are responsible for the early diagenesis of sinking organic matter and determine the partitioning between buried organic matter and nutrients released in the water column. Likely encompassing a broad range of unique biodiversity and functional adaptations, they are still sparsely described. As part of the “Pourquoi pas les Abysses ?” project, this thesis endeavored to shed light on the structure and functional diversity of deepsea benthic microbial communities. To this end, we implemented large-scale standardized methods of sampling, DNA extraction, and bioinformatic processing to recover environmental DNA data. Firstly, using 16S rRNA amplicon sequencing, we investigated the biogeographic patterns at the transition between Mediterranean Sea and Atlantic Ocean, and observed important influences of dispersal limitation and drift, both longitudinally and vertically. In the surface sediments of two South Pacific hadal trenches, the dominant archaeal classes, Nitrosophaeria and Nanoarchaeia, were partitioned following depth zones and sediment horizon, with a variety of putative partners for the presumed symbiotic Woesearchaeales lineage. Using metagenomic sequencing and analysis on the same hadal samples, 90 archaeal MAGs were reconstructed from the corresponding hadal metagenomes, including 53 affiliated with Nitrososphaeria. We studied their clade-level distribution and showed differing patterns of genomic variability between ecological niches. Overall, these results lay the foundations for continued investigation of the functional diversity and adaptation of deep-sea sediment microbial communitiesLes sédiments marins recouvrent environ 65% de la surface terrestre et les microorganismes qui les peuplent jouent un rôle essentiel dans les cycles biogéochimiques marins. Situés à l’interface entre les communautés pélagiques et de subsurface, les Bactéries et Archées benthiques déterminent la partition entre enfouissement de la matière organique et nutriments relargués dans la colonne d’eau. Comprenant une vaste diversité de microorganismes et des adaptations fonctionnelles spécifiques, elles sont encore peu décrites. Dans le cadre du projet « Pourquoi pas les abysses ? », cette thèse s’est intéressée à la structure et la diversité fonctionnelle des communautés microbiennes benthiques des grands fonds. Dans ce but, nous avons mis en place des méthodes standardisées d’échantillonnage, d’extraction d’ADN et d’analyse bioinformatique. A l’aide de données de métabarcoding 16S, nous avons étudié la biogéographie des communautés de la transition entre Méditerranée et Atlantique, et observé une importante influence de la limitation de dispersion et de la dérive écologique, de façon longitudinale et verticale. Dans les sédiments de surface de deux fosses hadales du Pacifique Sud, la distribution des classes d’Archées dominantes, Nitrososphaerie et Nanoarcheia est influencée par la profondeur et l’horizon sédimentaire, avec plusieurs partenaires putatifs pour la lignée présumée symbiotique des Woesearchaeales. A l’aide de données métagénomiques, nous avons reconstruit 90 MAGs d’Archées des même sédiments, dont 53 affiliés aux Nitrososphaeria dont la variabilité génomique semblent liée à la niche écologique. Dans l’ensemble, les résultats obtenus posent de solides bases pour la caractérisation de la diversité fonctionnelle et des adaptations spécifiques des communautés microbiennes des sédiments marins profond