The flyingfishes (Teleostei: Exocoetidae) are a family of 53 epipelagic marine species distributed throughout tropical and subtropical surface waters. They form a key mid-trophic link between zooplankton and predators, and have evolved special adaptations to survive in the open ocean. However, little is known about their basic evolutionary history and ecology. Here, I apply a multidisciplinary approach to better understand the evolution and ecology of flyingfishes. I propose the first species-level phylogenetic hypothesis for the group, based on nuclear and mtDNA sequences, and show that the most speciose genus (Cheilopogon) is paraphyletic. Gliding evolved progressively from two- to four-wing strategies, and habitat preference is correlated with species range size. I also analyzed patterns of genetic diversity within the most abundant genus, Exocoetus, and found no evidence of cryptic species. Instead, I found that this genus likely consists of three genetically distinct species (in contrast to the five currently recognized) and two indistinct species that diverged very recently. Population genetic analysis of Exocoetus volitans (266 samples from 97 localities) indicates a single, circum-tropical population that is well connected; yet the Isthmus of Panama and an Equatorial barrier limit gene flow. Finally, I investigated species abundance, richness, diversity, and distributions within the eastern tropical Pacific Ocean (11,125 specimens). My results provide critical updates on species distributions and habitat preferences. Predictive modeling indicates that sea surface temperature is important for defining flyingfish habitat. This thesis addresses central issues concerning both evolution and ecology in the epipelagic zone, and highlights the need for better understanding remote marine regions and organisms.

The flyingfishes (Teleostei: Exocoetidae) are a family of 53 epipelagic marine species distributed throughout tropical and subtropical surface waters. They form a key mid-trophic link between zooplankton and predators, and have evolved special adaptations to survive in the open ocean. However, little is known about their basic evolutionary history and ecology. Here, I apply a multidisciplinary approach to better understand the evolution and ecology of flyingfishes. I propose the first species-level phylogenetic hypothesis for the group, based on nuclear and mtDNA sequences, and show that the most speciose genus (Cheilopogon) is paraphyletic. Gliding evolved progressively from two- to four-wing strategies, and habitat preference is correlated with species range size. I also analyzed patterns of genetic diversity within the most abundant genus, Exocoetus, and found no evidence of cryptic species. Instead, I found that this genus likely consists of three genetically distinct species (in contrast to the five currently recognized) and two indistinct species that diverged very recently. Population genetic analysis of Exocoetus volitans (266 samples from 97 localities) indicates a single, circum-tropical population that is well connected; yet the Isthmus of Panama and an Equatorial barrier limit gene flow. Finally, I investigated species abundance, richness, diversity, and distributions within the eastern tropical Pacific Ocean (11,125 specimens). My results provide critical updates on species distributions and habitat preferences. Predictive modeling indicates that sea surface temperature is important for defining flyingfish habitat. This thesis addresses central issues concerning both evolution and ecology in the epipelagic zone, and highlights the need for better understanding remote marine regions and organisms.

Les réchauffements climatiques associés aux activités anthropiques ont soumis les écosystèmes arctiques à des changements rapides qui menacent leur stabilité à court terme. La diminution dramatique de la banquise arctique est une des conséquences les plus concrètes de ce réchauffement. Dans ce contexte, comprendre et prédire comment les systèmes arctiques évolueront est crucial, surtout en considérant comment les flux de carbone (C) de ces écosystèmes - soit des puits nets, soit des sources nettes de CO2 pour l'atmosphère - pourraient avoir des répercussions importantes sur le climat. Le but de cette thèse est de dresser un portrait saisonnier de l’activité bactérienne afin de déterminer l’importance de sa contribution aux flux de carbone en Arctique. Plus spécifiquement, nous caractérisons pour la première fois la respiration et le recours à la photohétérotrophie chez les microorganismes du golfe d’Amundsen. Ces deux composantes du cycle du carbone demeurent peu décrites et souvent omises des modèles actuels, malgré leur rôle déterminant dans les flux de C non seulement de l’Arctique, mais des milieux marins en général. Dans un premier temps, nous caractérisons la respiration des communautés microbiennes (RC) des glaces de mer. La connaissance des taux de respiration est essentielle à l’estimation des flux de C, mais encore limitée pour les milieux polaires. En effet, les études précédentes dans le golfe d’Amundsen n’ont pas mesuré la RC. Par la mesure de la respiration dans les glaces, nos résultats montrent des taux élevés de respiration dans la glace, de 2 à 3 fois supérieurs à la colonne d'eau, et une production bactérienne jusqu’à 25 fois plus importante. Ces résultats démontrent que la respiration microbienne peut consommer une proportion significative de la production primaire (PP) des glaces et pourrait jouer un rôle important dans les flux biogéniques de CO2 entre les glaces de mer et l’atmosphère (Nguyen et Maranger, 2011). Dans un second temps, nous mesurons la respiration des communautés microbiennes pélagiques du golfe d’Amundsen pendant une période de 8 mois consécutif, incluant le couvert de glace hivernal. En mesurant directement la consommation d'O2, nous montrons une RC importante, mesurable tout au long de l’année et dépassant largement les apports en C de la production primaire. Globalement, la forte consommation de C par les communautés microbiennes suggère une forte dépendance sur recyclage interne de la PP locale. Ces observations ont des conséquences importantes sur notre compréhension du potentiel de séquestration de CO2 par les eaux de l’Océan Arctique (Nguyen et al. 2012). Dans un dernier temps, nous déterminons la dynamique saisonnière de présence (ADN) et d’expression (ARN) du gène de la protéorhodopsine (PR), impliqué dans la photohétérotrophie chez les communautés bactérienne. Le gène de la PR, en conjonction avec le chromophore rétinal, permet à certaines bactéries de capturer l’énergie lumineuse à des fins énergétiques ou sensorielles. Cet apport supplémentaire d’énergie pourrait contribuer à la survie et prolifération des communautés qui possèdent la protéorhodopsine. Bien que détectée dans plusieurs océans, notre étude est une des rares à dresser un portrait saisonnier de la distribution et de l’expression du gène en milieu marin. Nous montrons que le gène de la PR est présent toute l’année et distribué dans des communautés diversifiées. Étonnamment, l’expression du gène se poursuit en hiver, en absence de lumière, suggérant soit qu’elle ne dépend pas de la lumière, ou que des sources de photons très localisées justifie l’expression du gène à des fins sensorielles et de détection (Nguyen et al., soumis au journal ISME). Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du C en Arctique et innove par la caractérisation de la respiration et de l’efficacité de croissance des communautés microbiennes pélagiques et des glaces de mer. De plus, nous montrons pour la première fois une expression soutenue de la protéorhodopsine en Arctique, qui pourrait moduler la consommation de C par la respiration et justifier son inclusion éventuelle dans les modélisations du cycle du C. Dans le contexte des changements climatiques, il est clair que l'importance de l’activité bactérienne a été sous-estimée et aura un impact important dans le bilan de C de l'Arctique. / Arctic ecosystems are undergoing rapid changes, primarily due to unprecedented climatic warming as a function of anthropogenic activities, which threaten their short-term stability. One of the most dramatic impacts has been the loss and change in annual sea ice. Understanding and predicting how these systems will evolve is crucial, especially if considering how carbon (C) fluxes from these ecosystems – either net sinks or net CO2 sources for the atmosphere – could have important repercussions on global climate. The objective of this thesis is to establish a seasonal portrait of bacterial activity to characterize its contribution to Arctic carbon fluxes. Specifically, we quantify for the first time microbial respiration in sea-ice and the water column and explore the use of photoheterotrophy by microorganism over an annual cycle in the Amundsen Gulf of the Arctic Ocean. These components of carbon cycling remain poorly understood and infrequently directly measured. As a consequence they are either extrapolated or omitted from models, despite their significant role in C dynamics not only in the Arctic, but also in marine systems in general. First, we characterise respiration in sea-ice microbial communities (CR). An understanding of respiration rates is essential for accurate estimation of C fluxes, but the role of respiration in sea ice is poorly understood. This work represents the first comprehensive evaluation of respiration in polar sea ice to date. Using novel O2 consumption measurements in sea-ice, we found high respiration rates in sea-ice, 2 to 3 times higher than in the water column and bacterial production rates up to 25 times higher. These results show that microbial respiration can consume a significant portion of sea ice primary production (PP) and play a key role in biogenic CO2 fluxes between sea-ice and the atmosphere (Nguyen and Maranger, 2011). Second, we measure respiration of pelagic microbial communities of Amundsen Gulf over an eight-month period, including under the winter ice-cover. By measuring directly O2 consumption, we show high CR, measurable over the whole year and greatly surpassing C inputs from PP. Globally, high C consumption by microbial communities supports a high reliance on internal recycling of local PP. These observations have important consequences on our understanding of the CO2 sequestering potential of the Arctic Ocean (Nguyen et al., 2012) Finally, we describe the seasonal patterns in presence (DNA) and expression (RNA) of the proteorhodospin (PR) gene, involved in bacterial photoheterotrophy. The PR gene, combined with the retinal chromophore, allows bacteria to capture energy from light towards energetic or sensory purposes. This additional energy source could contribute to the survival and proliferation of bacterial communities expressing the gene in the highly variable polar environment. Although PR has been found in many oceans, this study represents a unique time-series that follows the seasonal distribution and expression of the gene in a natural marine system. We show that the PR gene was present over the whole study period and widely distributed in diverse bacterial communities. Surprisingly, we observed continued PR expression over winter, in the absence of sunlight. This suggests either that the PR’s expression does not depend on light or, that other very localized photon sources could justify PR expression for detection and sensory functions (Nguyen et al., submitted to the ISME journal). This thesis contributes to the understanding of Arctic carbon cycling and includes several novel elements such as the characterization of respiration and bacteria growth efficiency in both pelagic and sea-ice habitats. The use of an alternative C pathway by bacteria in the Polar ocean was also explored for the first-time in a time-series. The observed sustained expression of the PR gene in the Arctic could modulate C consumption by respiration and justify its inclusion in future models of C cycling. In a context of climate change, it is clear that bacterial activity has been underestimated and how this will change in a warmer Arctic will have a significant impact in the ecosystem’s overall C budget.

Le béluga du Saint-Laurent est une espèce menacée au Canada et protégée par la Loi sur les espèces en péril du Canada. La détermination des fonctions biologiques de ses habitats essentiels est nécessaire afin d’assurer le rétablissement de la population. Parcs Canada a entamé en 2009 un suivi des proies du béluga dans deux de ses aires de fréquentation intensive situées dans le Parc marin du Saguenay–Saint-Laurent : l’embouchure de la rivière Saguenay et la baie Sainte-Marguerite. L’étude de l’abondance et de la distribution des proies est réalisée par sondage hydroacoustique le long de transects à l’aide d’un échosondeur multifréquences. Un protocole d’observations systématiques du béluga est mené simultanément aux sondages hydroacoustiques à partir de sites terrestres. Le premier objectif de cette étude est de développer la méthodologie concernant le traitement, la classification et la cartographie des données hydroacoustiques échantillonnées. L’objectif principal consiste à déterminer si l’abondance et la distribution des proies pélagiques ont une influence sur l’utilisation de ces deux habitats par le béluga. La cartographie de la biomasse relative de poissons a été réalisée pour la couche de surface, la couche en profondeur et pour l’ensemble de la colonne d’eau par krigeage ordinaire pour les deux habitats pour les 29 transects. À la baie Sainte-Marguerite, le nombre de bélugas observés augmente avec la biomasse relative des proies en surface et en profondeur. À l’embouchure de la rivière Saguenay, les résultats n’ont pas été concluants. Les résultats suggèrent que l’alimentation pourrait être l’une des fonctions biologiques de la baie Sainte-Marguerite. / The St. Lawrence beluga is a threatened species in Canada and protected by the Species at Risk Act in Canada. Determining the biological functions of its critical habitat is needed to ensure the recovery of the population. Parks Canada began in 2009 a monitoring of beluga preys in two of its areas of intensive use located in the Saguenay–St. Lawrence Marine Park: the Saguenay River mouth and the Sainte-Marguerite bay. The study of the abundance and distribution of prey is achieved by hydroacoustic survey along transects using a multifrequency echo sounder. A systematic observation protocol of the beluga is conducted simultaneously with hydroacoustic surveys from land-based stations. The first objective of this study is to develop the methodology for the processing, classification and mapping of these hydroacoustic data. The main objective is to determine whether the abundance and distribution of pelagic prey influence the use of these two habitats by beluga. The mapping of the fish relative biomass was conducted for the surface layer, the depth layer and the entire water column by ordinary kriging for the two habitats for the 29 transects. At Sainte-Marguerite bay, the number of whales observed increases with fish relative biomass in the surface and deep layers. At the Saguenay River mouth, the results are not conclusive. The results suggest that feeding may be one of the biological functions of the Sainte-Marguerite bay.

Les sédiments sont des sites importants d’élimination d’azote (N) puisqu’ils possèdent des gradients d’oxydoréduction leur conférant les conditions idéales pour les réactions microbiennes de transformation de N. L’eutrophisation des régions côtières peut altérer ces gradients, par des changements dans la concentration d’oxygène (O2) de l’eau interstitielle, et modifier l’importance relative des processus transformant le N. Afin de mieux comprendre comment l’O2 pourrait influencer les transformations de N, nous avons mesuré les flux diffusifs de diazote (N2), nitrate (NO3-), oxygène et ammonium (NH4+) dans les sédiments de l’Estuaire Maritime du St-Laurent (EMSL), et nous avons estimé les taux de dénitrification. L’importance du couple nitrification-dénitrification en fonction d’un gradient de concentrations d’O2 dans la zone d’hypoxie de l’EMSL fut aussi évaluée. La concentration des gaz dissous fut mesurée en utilisant une nouvelle approche développée dans cette étude. Les flux diffusifs de N2, O2, NO3- et NH4+ variaient de 5.5 à 8.8, de -37.1 à -84.8, de -4.0 à -5.8 et de 0.6 à 0.8 μmol N m-2 h-1 respectivement. Les concentrations de N2 et NO3- dans l’eau porale et les flux de NO3- et de N2 des sédiments, suggèrent que la diffusion de NO3- provenant de l’eau à la surface des sédiments ne peut pas expliquer par elle-même la production de N2 observée. En utilisant une approche stoichiométrique, les taux de nitrification potentielle estimés comptent pour 0.01 à 52% du flux total de NO3 nécessaire pour aboutir aux flux de N2 observés et diminuent avec l’augmentation de l’hypoxie. / Sediments display strong redox gradients and represent important sites of various microbially mediated nitrogen (N) transformation pathways resulting in the loss of fixed N. Increased eutrophication of coastal systems will likely impact the overall function of these sediments via changes in the oxygen (O2) concentration in the overlying water, thus influencing the redox gradient and the relative importance of different N processes. To have a better understanding of how O2 could influence N transformations, we measured dinitrogen (N2), nitrate (NO3-), oxygen and ammonium (NH4+) diffusive fluxes in the sediments of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) and estimated denitrification rates. The importance of the nitrification-denitrification couple as a function of a gradient of hypoxic O2 concentrations was also evaluated. Dissolved gas concentrations were measured using a new approach developed in this study. N2, O2, NO3- and NH4+ diffusive fluxes varied respectively from 5.5 to 8.8, from -37.1 to -84.8, from -4 to -5.8 and from 0.6 to 0.8 μmol N m-2 h-1 among the five stations sampled. N2 and NO3- concentrations in sediment pore water and measured fluxes of NO3- in and N2 out of the sediments suggested that NO3- diffusion from the overlying water alone could not support N2 production. Using a stoichiometric approach, estimated potential nitrification rates varied among sites, from 0.01 to 52% of the total NO3 supply rate. The relative importance of nitrification decreased with increasing hypoxia.

Le béluga du Saint-Laurent est une espèce menacée au Canada et protégée par la Loi sur les espèces en péril du Canada. La détermination des fonctions biologiques de ses habitats essentiels est nécessaire afin d’assurer le rétablissement de la population. Parcs Canada a entamé en 2009 un suivi des proies du béluga dans deux de ses aires de fréquentation intensive situées dans le Parc marin du Saguenay–Saint-Laurent : l’embouchure de la rivière Saguenay et la baie Sainte-Marguerite. L’étude de l’abondance et de la distribution des proies est réalisée par sondage hydroacoustique le long de transects à l’aide d’un échosondeur multifréquences. Un protocole d’observations systématiques du béluga est mené simultanément aux sondages hydroacoustiques à partir de sites terrestres. Le premier objectif de cette étude est de développer la méthodologie concernant le traitement, la classification et la cartographie des données hydroacoustiques échantillonnées. L’objectif principal consiste à déterminer si l’abondance et la distribution des proies pélagiques ont une influence sur l’utilisation de ces deux habitats par le béluga. La cartographie de la biomasse relative de poissons a été réalisée pour la couche de surface, la couche en profondeur et pour l’ensemble de la colonne d’eau par krigeage ordinaire pour les deux habitats pour les 29 transects. À la baie Sainte-Marguerite, le nombre de bélugas observés augmente avec la biomasse relative des proies en surface et en profondeur. À l’embouchure de la rivière Saguenay, les résultats n’ont pas été concluants. Les résultats suggèrent que l’alimentation pourrait être l’une des fonctions biologiques de la baie Sainte-Marguerite. / The St. Lawrence beluga is a threatened species in Canada and protected by the Species at Risk Act in Canada. Determining the biological functions of its critical habitat is needed to ensure the recovery of the population. Parks Canada began in 2009 a monitoring of beluga preys in two of its areas of intensive use located in the Saguenay–St. Lawrence Marine Park: the Saguenay River mouth and the Sainte-Marguerite bay. The study of the abundance and distribution of prey is achieved by hydroacoustic survey along transects using a multifrequency echo sounder. A systematic observation protocol of the beluga is conducted simultaneously with hydroacoustic surveys from land-based stations. The first objective of this study is to develop the methodology for the processing, classification and mapping of these hydroacoustic data. The main objective is to determine whether the abundance and distribution of pelagic prey influence the use of these two habitats by beluga. The mapping of the fish relative biomass was conducted for the surface layer, the depth layer and the entire water column by ordinary kriging for the two habitats for the 29 transects. At Sainte-Marguerite bay, the number of whales observed increases with fish relative biomass in the surface and deep layers. At the Saguenay River mouth, the results are not conclusive. The results suggest that feeding may be one of the biological functions of the Sainte-Marguerite bay.

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Dans les océans, les procaryotes sont des acteurs clés dans le cycle du carbone puisqu’ils consomment une fraction importante de la matière organique dissoute (MOD) relâchée par les producteurs primaires. Puisque cette matière organique est très complexe et de biodisponibilité variable, les communautés de procaryotes qui la consomme sont très diversifiées et spécialisées pour certains types de composés organiques. En utilisant cette matière organique, les procaryotes contribuent à réintroduire ce carbone dans le réseau trophique, une source d’énergie essentielle dans les gyres oligotrophes de l’océan. Toutefois, puisque cette consommation n’est pas parfaite, une quantité importante de carbone est relâchée sous forme de CO2 lors de la respiration, mais aussi sous forme de MOD récalcitrante, contribuant à séquestrer du carbone dans les océans. Le but de cette thèse est d’une part, de dresser un portrait global de la biodisponibilité de la MOD et d’autre part, de déterminer l’influence de la biodisponibilité de cette dernière sur la composition et le métabolisme des procaryotes dans la mer du Labrador, une mer dont le rôle est critique dans la régulation du climat. Plus spécifiquement, nous identifions pour la première fois comment la distribution spatiale des procaryotes influencent leur métabolisme et est influencée par leur préférence alimentaire dans les eaux de surface de la mer du Labrador. Finalement, nous regardons comment la matière organique produite en surface est transformée et séquestrée en profondeur suite à la convection hivernale dans la mer du Labrador. Le budget de carbone dans les océans n’est toujours pas balancé. Afin de mieux connaître les sources et la biodisponibilité du carbone dans les différents milieux aquatiques, nous avons évalué la biodisponibilité de la MOD à travers le continuum aquatique, des lacs jusqu’à l’océan. En menant une méta-analyse sur le sujet, nos résultats montrent que la proportion de matière organique labile, c’est-à-dire facilement utilisable par les procaryotes, est d’environ 6% dans tous les environnements aquatiques. Toutefois, la proportion de matière organique semi-labile, celle qui nécessite plus de transformation par les procaryotes, est grandement liée à la proximité au milieu terrestre. Les seuls écosystèmes aquatiques déviant de ces deux constats sont ceux en période d’efflorescence algale: ils contiennent beaucoup plus de carbone labile et semi-labile que ceux à l’équilibre. Nous avons estimé que le carbone semi-labile peut soutenir 62% de la biomasse de procaryotes dans les lacs et les milieux côtiers. Dans un deuxième temps, nous évaluons l’influence de la MOD sur le métabolisme et les communautés de procaryotes. Nous avons fait trois missions océanographiques sur la mer du Labrador à bord du navire Hudson pour déterminer la composition de la MOD et la communauté des procaryotes ainsi que leur métabolisme. En utilisant une approche novatrice, la modélisation de la distribution spatiale de l’abondance des procaryotes, nous avons montré à quel point celle-ci est importante pour déterminer leur préférence alimentaire ainsi que leur métabolisme. Nous avons également proposé un nouveau cadre conceptuel qui vise à faciliter la recherche à l’interface de la biogéochimie, de l’écologie microbienne et du métabolisme microbien. Dans un dernier temps, nous avons comparé la capacité des procaryotes venant de différentes profondeurs océaniques à séquestrer le carbone. Lors de la consommation de la MOD, les procaryotes en relâche une petite fraction sous forme plus récalcitrante. En répétant ce processus, le carbone résiduel devient très récalcitrant et peut résister à la consommation par les procaryotes durant des centaines d’années. Nous avons montré que les procaryotes de l’océan profond sont plus efficaces pour séquestrer le carbone de cette façon. Nos résultats montrent que ce sont les taxons rares des procaryotes qui sont les éléments clés dans cette suite de transformation qui mène à la séquestration du carbone appelée pompe microbienne. Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du carbone dans la mer du Labrador et dans les écosystèmes aquatiques en général. Nous avons proposé une approche novatrice permettant de lier la qualité de la MOD à la composition des communautés de procaryotes qui la dégrade, un défi qui perdure depuis des dizaines d’années. De plus, nous montrons pour la première fois la que la pompe microbienne de carbone est un processus itératif fortement relié à la succession de la communauté de procaryotes. Nous montrons également que la pompe microbienne est active dans chaque strate océanique, mais que les procaryotes rares issus de l’océan profond sont plus efficaces à séquestrer le carbone. Mieux comprendre comment la composition de la MOD influence les procaryotes est primordial puisqu’ils sont centraux au cycle du carbone océanique. / Oceanic prokaryotes are key players in the carbon cycle by consuming dissolved organic mat-ter (DOM) produced by primary producers. As this organic matter is highly complex with varying degree of bioavailability, prokaryotic communities are highly diverse and different taxa target certain types of organic compounds. By consuming this organic matter, prokary-otes reintroduce this carbon into the food web, a critical energy flow in oligotrophic gyres. However, this consumption is not perfect and they release a lot of carbon as CO2 through respiration, but also as recalcitrant DOM. Thus, they contribute to carbon sequestration in aquatic ecosystems. The objective of this thesis is to characterize DOM bioavailability and its influence on the composition and metabolism of prokaryotic communities in the Labrador Sea, described as one of the Earth’s climate system tipping elements. More precisely, we quantify for the first time how the spatial abundance distribution of prokaryotes influences ecosystem metabolism and organic matter association in the surface waters of the Labrador Sea. Lastly, we look at how DOM produced at the surface is transformed and sequestered following the Labrador Sea winter convective mixing. The oceanic carbon budget is still unbalanced. In order to better understand its carbon sources and bioavailability, we characterize DOM bioavailability across the aquatic contin-uum, from lakes to the open ocean. Using a meta-analysis, our results show that the propor-tion of labile organic matter, i.e. readily available for prokaryotes, is similar at around 6% in all aquatic ecosystems. However, the proportion of semi-labile organic matter, i.e requiring transformations to be consumed by prokaryotes, is highly related to terrestrial connectivity. The only ecosystems that did not follow these patterns were in a phytoplankton bloom pe-riod and had a high proportion of labile and semi-labile organic matter as their counterparts at equilibrium. Finally, we estimated that semi-labile organic matter could sustain 62% of prokaryotic biomass in lakes and coastal zones. Second, we evaluated the influence of DOM on prokaryotic metabolism and community composition. In order to determine organic matter composition, prokaryotic community composition and metabolic rates, we did three oceanic cruises in the Labrador Sea onboard the Hudson ship. By using spatial abundance distribution modelling of prokaryotes, we identified strong associations between groups of this novel approach and organic matter composition. We also proposed a framework to bridge the gap between prokaryotic diversity, microbial ecology, and biogeochemistry among methods and across scales. Lastly, we compared how prokaryotic communities from different oceanic strata could se-quester carbon. When they consume organic matter, prokaryotes release a small amount in recalcitrant forms. Through this iterative process, called the microbial carbon pump, prokaryotes contribute to carbon sequestration by creating highly recalcitrant compounds that resist further degradation for hundreds of years. We have shown that all prokaryotes enable the microbial carbon pump, but that prokaryotes from deeper strata are more effi-cient. Our results also conclusively show that the rare prokaryotic taxa are key players in the microbial carbon pump. This thesis contributes to better understand the carbon cycle in the Labrador Sea and in all aquatic ecosystems. We proposed a novel framework to relate biogeochemistry, prokaryotic diversity and microbial ecology which has been a challenge for decades. Moreover, we con-clusively showed for the first time that the iterative process of the microbial carbon pump is related to prokaryotic succession. We also show that it happens in all oceanic strata, but that rare prokaryotes from the deep ocean are more efficient to sequester carbon. Better understanding how DOM composition influences prokaryotes is of prime importance as they are the main drivers of the oceanic carbon cycle.