Soutenance de thèse de ELIAS Charbel
Titre de thèse
Analyse des communautés fongiques d'intérêt pédologique par metabarcoding et culturomique / spectrométrie de masse MALDI-TOF
Analysis of fungal communities of pedological interest by metabarcoding and culturomics / MALDI-TOF mass spectrometry
Résumé de la thèse
En dépit de leur rôle vital en tant qu'acteurs clés de l'écologie des sols, notre compréhension globale de la structure et la diversité des communautés fongique du sol reste fragmentaire. Cet écart de connaissances peut être attribué, en partie, à l'étendue remarquable de la diversité fongique ainsi qu'aux limites inhérentes aux techniques actuelles d'identification des champignons.
L'introduction de composés organiques xénobiotiques, notamment de polluants organiques persistants (POPs), dans les écosystèmes du sol, modifie et perturbe l'équilibre complexe des communautés fongiques, ce qui peut avoir un impact sur leurs rôles écologiques et altère la biodiversité globale du sol. Parmi les polluants organiques persistants, la contamination ubiquitaire de l'environnement par les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) due aux activités naturelles, industrielles et urbaines constitue une menace émergente pour la santé humaine ainsi que pour les écosystèmes naturels. Par conséquent, une compréhension de la réponse des communautés fongiques à la pollution environnementale associée aux HAPs est donc un enjeu crucial en écologie des sols.
Dans la première partie, nous avons fourni un répertoire approfondi d'espèces fongiques ayant des applications potentielles en bioremédiation. Nous avons mené une revue exhaustive de la littérature sur la bioremédiation fongique de tous les polluants organiques persistants répertoriés par la Convention de Stockholm. Ce répertoire exhibe les espèces fongiques signalées comme capables de dégrader les polluants organiques persistants, détaillant les conditions d'incubation, les pourcentages de dégradation, les produits intermédiaires et finaux ainsi que des notes supplémentaires. Nous avons également brièvement abordé les mécanismes généraux utilisés par les champignons pour transformer les POPs de manière intracellulaire et extracellulaire. Nous avons en outre exploré les lacunes dans les connaissances concernant la dégradation des POPs émergents, en plus des POPs qui nécessitent une enquête plus approfondie dans le contexte de la mycoremédiation. De plus, nous avons fourni des aperçus sur les stratégies et techniques d'isolement et de sélection de souches fongiques ayant des applications potentielles dans la bioremédiation des POPs.
Dans la deuxième partie de nos travaux, nous avons cherché à explorer le mycobiome du sol en utilisant une approche inédite. Par conséquent, nous avons analysé les communautés fongiques d'échantillons de sol caractérisés contaminés par des hydrocarbures aromatiques polycycliques. Des échantillons de sol ont été suspendus dans du D-PBS, dilués et étalés sur cinq milieux de culture différents. Les colonies fongiques ont été identifiées via MALDI-TOF MS et/ou séquençage de codes-barres d'ADN. Sept cent quarante-deux colonies fongiques ont été isolées et identifiées grâce à cette approche, se traduisant par 165 espèces et 51 genres fongiques. Nous avons comparé les indices de diversité fongique et la structure des communautés, évalués via la culturomique ou le métabarcoding ITS sur différents ensembles de données résultants et entre les différents profils de sol. Des biomarqueurs taxonomiques associés aux deux profils de sol (pollués par les HAPs et non pollués), en plus des taxons différentiellement abondants, ont été identifiés grâce à l'analyse LEfSe. En outre, un mycobiome central partagé entre les deux approches utilisées et les trois ensembles de données (culturomique, ITS1 et ITS2) a également été mis en évidence.
Dans la troisième partie de cette thèse, une approche polyphasique a été employée pour décrire et caractériser une nouvelle espèce fongique isolée à partir d'un échantillon de sol présentant un profil contaminé par des HAPs. Ce chapitre présente des résultats préliminaires, car la description complète et la classification taxonomique de l'espèce sont toujours en cours.
Thesis resume
Despite their well-established vital role as key actors in soil ecology, a comprehensive understanding of soil fungal community structure and diversity remains scarce. This knowledge gap can be traced back, in part, to the remarkable extent of fungal diversity along with the limitations inherent to current fungal identification techniques. While conventional microbiological culture-dependent methods have struggled to integrate seamlessly into high-throughput laboratory workflows, metagenomic-based characterization, the current gold standard in environmental microbiology, encounters challenges linked to intraspecific fungal genetic heterogeneity. Moreover, metagenomic studies often yield a significantly high proportion of unidentified fungal sequences known as “microbial dark matter”.
The introduction of organic xenobiotic compounds, notably persistent organic pollutants (POPs) into soil ecosystems shifts and disrupts the intricate balance of fungal communities, potentially impacting their ecological roles and altering the overall soil biodiversity. Among persistent organic pollutants, the widespread environmental contamination with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) due to natural, industrial, and urban activities has posed an emerging threat to human health, as well as natural ecosystems. Therefore, understanding the response of fungal communities to environmental pollution associated with PAHs is therefore a critical issue in soil ecology. In addition to their key role in ecological processes, fungi display biochemical and metabolic features that make them suitable for bioremediation and waste treatment purposes.
In the first part, we provided an in-depth repertoire of fungal species with potential applications in bioremediation. We conducted a comprehensive literature review on fungal bioremediation of all persistent organic pollutants enlisted by the Stockholm Convention. This repertoire displays fungal species that have been reported as capable of degrading persistent organic pollutants, detailing the incubation conditions, degradation percentages, intermediary and end-products along with supplementary notes. We also briefly tackled the general mechanisms utilized by fungi to transform POPs intracellularly and extracellularly. We further explored knowledge gaps regarding the degradation of emerging POPs, in addition to POPs that warrant further investigation in the context of mycoremediation. Additionally, we provided valuable insights into strategies and techniques for isolating and selecting fungal strains with potential applications in POP bioremediation.
In the second part of our work, we aimed at exploring the soil mycobiome using a novel approach. Therefore, we analyzed the fungal communities of characterized soil samples contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons. Soil samples were suspended in D-PBS, diluted, and plated onto five different culture media. Fungal colonies were identified via MALDI-TOF MS and/or DNA barcode sequencing. Seven hundred forty-two fungal colonies were isolated and identified using this approach, translating into 165 species and 51 fungal genera. We compared the fungal diversity indices and community structure, assessed via culturomics or ITS metabarcoding across different resulting datasets and between soil profiles. Biomarker taxa associated with both soil profiles (PAH-polluted and non-polluted), in addition to differentially abundant taxa were identified through LEfSe analysis. Furthermore, a core mycobiome shared across the two employed approaches and all three datasets (culturomics, ITS1, and ITS2) was also identified.
In the third section of this thesis, a polyphasic approach was employed to describe and characterize a novel fungal species isolated from a soil sample exhibiting a PAH-contaminated profile. This chapter presents preliminary findings, as the complete description and taxonomic classification of the species are still ongoing.