Les mares et lacs de fonte de pergélisol (ou lac de thermokarst) sont désormais parmi les écosystèmes d’eau douce les plus communs en région arctique. Il existe deux types de lac de thermokarst en fonction de la composition du sol dans lequel celui-ci se forme (palse, lithalse). Ces lacs constituent des milieux complexes présentant une activité microbienne élevée qui produit une grande quantité de gaz à effet de serre. D’un point de vue écologique, il est essentiel d’approfondir nos connaissances sur les forces contrôlant cette activité microbienne. En général, les virus participent à divers processus écologiques essentiels notamment en influençant le recyclage des nutriments, les cycles biogéochimiques et la dynamique des populations microbiennes. Par contre, très peu d’études se sont intéressées aux populations virales dans les lacs de fonte. Ainsi, les objectifs principaux de ce projet sont (1) d’établir la diversité virale dans deux types de lacs de thermokarst en visant deux familles de virus en particulier (myovirus, chlorovirus), et (2) d’isoler un cyanophage à partir de ces milieux. Une approche par PCR a permis d’obtenir la composition des assemblages viraux et de conclure que ces derniers variaient en fonction de la distribution de leurs hôtes, qui eux étaient influencés par les paramètres environnementaux. De plus, deux nouveaux cyanophages appartenant à la famille des Myoviridae ont également été isolés d’un lac subarctique et leur génome séquencé. Des analyses génomiques ont démontré la présence de deux gènes auxiliaires métaboliques, suggérant des évènements de transferts horizontaux entre les virus et leur hôte. Bref, cette étude apporte de nouvelles connaissances concernant l’écologie et la biologie des communautés virales en milieu subarctique. / Arctic regions are undergoing rapid changes due to global warming. Permafrost thawing and erosion is accelerating, creating small and shallow lakes, called thermokarst lakes, that are now widespread in Arctic landscapes. Thaw lakes can be classified in two groups depending on the landscape (palsa, lithalsa), and this has a great impact on their limnological properties. These freshwater ecosystems are highly stratified and harbour microbial assemblages that are important contributors of greenhouse gases to the atmosphere. In general, the two major groups involved in the top-down control of microbial populations are either grazers or viruses. Here, we focused our study on viral communities, as it is now widely recognized that viruses are key components in all aquatic ecosystems. Although they have a large impact on nutrient cycles and host evolution and dynamics, viruses in high latitudes freshwater ecosystems remain poorly characterized. The aims of this study were: (1) to determine viral diversity in different types of thermokarst lakes by targeting specific families of viruses; and (2) to isolate a cyanophage from a subarctic lake. Using a PCR-based approach followed by high-throughput sequencing, we characterized the viral community composition in contrasting subarctic waterbodies. Comparisons suggested that viral diversity was primarily influenced by landscape type, which affects the host communities. Also, we isolated and sequenced the genome of two novel cyanomyoviruses. Analysis of these genomes revealed the presence of two auxiliary metabolic genes, suggesting horizontal gene transfer events between viruses and hosts. Overall, this study sheds light into the dynamics and the composition of viral communities in high-latitude freshwater environments.

La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles. / The thawing and collapse of ice-rich permafrost in the subarctic region of Quebec has given rise to thaw ponds (thermokarst ponds) that emit the greenhouse gases carbon dioxide and methane to the atmosphere. However, the microbial community composition that underlies biogeochemical processes in thaw ponds has been little investigated, particularly concerning the diversity and activity of micro-organisms involved in the methane cycle. The objective of this thesis study was to determine the phylogenetic and functional diversity of micro-organisms in subarctic thaw ponds, and the relationships with environmental properties and methane emission. To that aim, we sampled ten thaw ponds in four different valleys located across a permafrost degradation gradient with distinct physico-chemical properties. Depending on valley, the ponds were derived either from the thawing of a palsa (peat-mound) or lithalsa (mineral-mound), which influenced the nature of organic carbon available for microbial remineralization. During summer, the ponds were observed to be well-stratified; there were with strong physico-chemical gradients down the water column, with an upper oxic layer and a bottom low oxygen or anoxic layer. To identify the factors influencing microbial community composition, we used high throughput sequencing techniques targeting transcripts of 16S rRNA gene, and additionally targeted genes involved in the methane cycle: mcrA for methanogenesis and pmoA for methanotrophy. As a proxy of microbial activity, we also measured the concentration of functional gene transcripts using with quantitative PCR (qPCR). The results showed a striking dominance of micro-organisms involved in the methane cycle, namely methanogenic Archaea and methanotrophic Bacteria. The pmoA analyses implied that methanotrophic Bacteria were not only active in the surface, but also in the bottom waters where oxygen concentrations were minimal; this was unexpected given their need for oxygen in methane consumption. In general, the microbial community properties were largely determined by the origin of the ponds (palsa versus lithalsa), and much less so by the extent of permafrost degradation. The key environmental variables pH, phosphorus and dissolved organic carbon likely contributed to the differentiation of microbial community between the palsa and lithalsa valleys. With intensification of climate warming, these microbial communities will face changing conditions that are likely to modify their taxonomic composition, and these responses are likely to differ between ponds in the two landscape types. Oxygenation of the ponds will likely be subject to major shifts in the future associated with changes in the duration of the ice-free season and the extent of stratification. Such changes will impact the balance between methanogenesis and methanotrophy, and thereby affect the net rates of methane emission. However, the results obtained here indicate that methanogenic Archaea and methanotrophic Bacteria have strategies to survive and remain active beyond the limit of their usual oxygen preferences.