Dynamics of marine picoplankton populations
Dynamique des populations picoplanctoniques marines
Résumé
Variability is important in the upper ocean and concerns time and space as well as physical, chemical and biological parameters. Recently, the short time scale variability of biology-related parameters of the planktonic community such as cell abundance and size, pigment fluorescence or cell cycle has received increased attention with evidence of growth and loss processes occurring at the daily scale. Using high frequency data sampling, acquisition and analysis techniques, we concentrated our work on the short time scale variability of picoplankton since it is very relevant to long term evolution. First a comparative study of the physical forcing of a night-day cycle on the phasing of cell parameters such as scatter, pigment fluorescence and cell cycle on a variety of marine picoplaktonic strains and species of Prochloroccocus, Synechococcus and picoeukaryotes was investigated using flow cytometry. Processes of synchronization were complex and differed among species, as revealed by phase and magnitude of oscillations of scatter, fluorescence or cell cycle. These results should help to interpret diel variations in oceanic optical properties in regions where picoplankton dominate. Second, we concentrated our attention on the cell cycle regulation by light of Prochlorococcus, likely the most important photosynthetic organism on earth, and we showed that the onset of light is the signal responsible of cell cycle variation. In the field, one local study and one cruise study were performed to access the high frequency variability of picoplanktonic populations. In Villefranche Bay, the cell cycle approach was very useful to study the dynamics of Synechococcus. Its cell division cycle was tightly coupled to the daily light cycle, allowing to estimate growth rate, which averaged 0.95 d-1 (SD = 0.16, n = 7). A major result was the day-to-day variability of division rate that could be related directly to irradiance and cloud cover influence. In addition, this study revealed that grazers could adapt very rapidly (in one day) to in situ growth rate changes. In the Alborin Sea, we showed that picoplankters were highly dynamic and affected by physical forcing, the day-night alternance being the main factor to explain clear diel patterns recorded for all the cellular parameters of the populations.
Etablir comment la variabilité temporelle et spatiale de l'environnement structure les réponses biologiques à l'échelle de la population, de la cellule, et depuis peu au niveau moléculaire, est un thème central de l'océanographie biologique contemporaine. La boucle microbienne, c'est-à-dire la communauté formée par le picoplancton photosynthétique, les bactéries hétérotrophes et le microzooplancton, est extrêmement dynamique. L'échelle temporelle avec laquelle ces phénomènes ont été étudiés précédemment (celle de la semaine ou du mois) s'est révélée inadéquate pour cerner cette dynamique. En développant des méthodes d'échantillonnage appropriées et en utilisant la cytométrie en flux comme outil d'analyse, nous avons pu concentrer notre attention sur l'échelle de la journée pour tenter de mieux comprendre la variabilité à petite échelle car c'est elle qui in fine pourrait expliquer les évolutions à long terme des populations. Au laboratoire, nous nous sommes intéressés aux processus de synchronisation des populations par la lumière en étudiant l'effet d'entraînement d'un rythme circadien jour-night sur différentes sources et espèces de Prochlorococcus, Synechococcus et de picoeucaryotes. Cette étude a permis de révéler la complexité des processus de synchronisation, ces derniers variant considérablement entre les populations au regard de la phase, de l'amplitude des différents paramètres mesurés comme la taille, le contenu en chlorophylle et le cycle cellulaire mais également au regard du moment des événements remarquables (réplication de l'ADN, division). Ces résultats permettront de mieux interpréter les variations observées dans la nature pour ces populations. Une attention plus particulière portée à Prochlorococcus (l'organisme photosynthétique le plus abondant dans la biosphère) nous a permis de montrer que le signal synchronisant la réplication de l'ADN chez ce dernier est lié au lever du jour. En rade de Villefranche-sur-mer, une approche très fructueuse pour l'étude de la dynamique haute fréquence du picoplancton a été celle liée à l'utilisation du cycle cellulaire. Après marquage de l'ADN des cellules par le SYBR-Green I (un nouveau colorant), le cycle cellulaire d'une population de Synechococcus a pu être facilement visualisé par cytométrie en flux, révélant la très bonne synchronisation de la réplication de l'ADN et de la division de la cyanobactérie, qui ont lieu en fin de journée. Cette étude a surtout permis de montrer que le taux de croissance pouvait varier d'un jour à l'autre en réponse aux fluctuations de l'environnement lumineux (c'est-à-dire de la couverture nuageuse) mais également que les consommateurs s'adaptaient très rapidement (en un jour) aux variations du taux de croissance. En mer d'Alboran, nous avons analysé comment la dynamique des populations était influencée par l'hydrologie locale (soit un système jet-front géostrophique marqué), l'alternance jour-nuit restant toutefois le stimulus majeur pour expliquer les rythmes journaliers enregistrés pour les paramètres cellulaires (taille et fluorescence pigmentaire).