In recent years the increase of global plant trade and human movement has promoted the risk of introduction of invasive plants and exotic pathogens. Biological invasions operate globally and are considered to be the second cause of biodiversity loss after direct habitat alteration and destruction. In this context, Phytophthora is one of the most important and aggressive plant pathogen in agriculture and forestry. Early detection and identification of its pathways are of high importance to minimize the threat that they pose to natural ecosystems. Different molecular-based methods, including real-time PCR and Next Generation Sequencing, have been developed and applied for the detection of plant pathogens in environmental samples. These methods allow fast and accurate pathogen detection and identification even when the inoculum amount is low. Therefore, the main objective of this thesis was the development of a new method for Phytophthora detection in environmental samples starting from extraction of environmental DNA (eDNA) from different sources (soil, roots and water) and different ecosystems. Different studies have applied High Throughput Sequencing (HTS) for the detection of Phytophthora species in soil samples, but not, to date, for water. In the Chapter 3, genus-specific primers were adapted to assess Phytophthora species diversity in natural ecosystems using high-throughput amplicon pyrosequencing of eDNA from soil and water environments, based in the polymorphic and widely accepted barcoding target Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1). The assay was validated with a control reaction with DNA of pure cultures. The objectives raised and developed of this study were: a) as main objective, development and application of HTS (High Throughput Sequencing) of Phytophthora-specific PCR amplicons to investigate the presence of Phytophthora in soil samples from different plant communities in natural forests, plantations and aquatic environments in the north of Spain; b) optimization of the conditions for emPCR amplification in order to obtain the best results in the pyrosequencing run; c) development of a bioinformatics pipeline for NGS data, focusing in the optimization of a barcoding threshold value to separate Molecular Operational Taxonomic Units (MOTUs). Different score coverage threshold values were tested for optimal Phytophthora species separation in the bioinformatics analyses. Clustering at 99 % was the best criteria to separate most of the Phytophthora species. Multiple Molecular Operational Taxonomic Units (MOTUs) corresponding to 36 distinct Phytophthora species were amplified in the environmental samples. Pyrosequencing of amplicons from soil samples revealed low Phytophthora diversity (13 species) in comparison with the 35 species detected in water samples. Thirteen of the MOTUs detected in rivers and streams did not show significant matches to sequences in international sequence databases, revealing that eDNA pyrosequencing is a useful strategy to assess Phytophthora species diversity in natural ecosystems. Once the technique was developed and validated, another objective was proposed in Chapter 2, focused on the oak decline. The evergreen holm oak (Quercus ilex) is the most representative tree species in the Iberian Peninsula and the main tree in oak-rangeland ecosystems (dehesas). Oak decline in non-calcareous soils in south-western Spain has been associated with Phytophthora cinnamomi for decades. However, other Phytophthora species such as P. quercina and P. psychrophila have been associated with Quercus decline in the eastern part of Spain where calcareous soils are predominant. With the aim of investigating the involvement of Phytophthora spp. in oak decline in eastern Spain, two forests in different geographical areas (Alcoi and Vallivana) were selected as sampling sites. Soil and root samples were analysed in parallel by amplicon pyrosequencing and real-time PCR. Metabarcoding analyses showed Phytophthora / En los últimos años, el aumento del comercio mundial de plantas y el movimiento humano ha promovido el riesgo de introducción de plantas invasoras y patógenos exóticos. Las invasiones biológicas operan a nivel mundial y se consideran como la segunda causa de pérdida de biodiversidad después de la alteración y destrucción directas del hábitat. En este contexto, Phytophthora es uno de los patógenos vegetales más importantes y agresivos en la agricultura y la silvicultura. La detección temprana y la identificación de sus vías son de gran importancia para minimizar la amenaza que representan para los ecosistemas naturales. Se han desarrollado y aplicado diferentes métodos moleculares para la detección de patógenos de plantas en muestras ambientales. Estos métodos permiten una detección e identificación de patógenos rápida y precisa incluso cuando la cantidad de inóculo es baja. Por lo tanto, se propone un nuevo método mejorado para su detección en muestras ambientales a partir de la extracción de ADN ambiental (eDNA) de diferentes fuentes (suelo, raíces y agua) y diferentes ecosistemas. El objetivo del primer capítulo fue aplicar HTS (High Throughput Sequencing) para investigar la presencia de Phytophthora en diferentes comunidades de plantas en bosques naturales, plantaciones y ambientes acuáticos en el norte de España. El eDNA se extrajo del suelo y del agua de los ríos y arroyos de los bosques de Fagus sylvatica y Abies alba y de plantaciones de Chamaecyparis lawsoniana y Pseudotsuga menziesii en el norte de España (bosque de Irati y Villanúa). Se diseñó y aplicó un ensayo específico para la detección de Phytophthora mediante la secuenciación masiva de amplicones basado en la región ITS1. Diferentes valores de threshold se analizaron para la separación óptima de especies de Phytophthora en los análisis bioinformáticos. El agrupamiento al 99% fue el mejor criterio para separar la mayor parte de las especies de Phytophthora. Múltiples Unidades Operacionales Taxonómicas Moleculares (MOTU) correspondientes a 36 especies distintas de Phytophthora se amplificaron en las muestras ambientales. La pirosequenciación de amplicones de muestras de suelo reveló una diversidad baja de Phytophthora (13 especies) en comparación con las 35 especies detectadas en muestras de agua. Trece de los MOTU detectados en los ríos y arroyos no mostraron homología con secuencias depositadas en las bases de datos, lo que revela que la pirosequenciación del ADN ambiental es una estrategia útil para evaluar la diversidad de especies Phytophthora en los ecosistemas naturales. Una vez que la técnica fue desarrollada y validada, se propuso otro objetivo enfocado en el decaimiento de la carrasca. La carrasca (Quercus ilex) es la especie arbórea más representativa de la Península Ibérica y el árbol principal de las dehesas. El decaimiento de la carrasca en suelos no calcáreos en el suroeste de España se ha asociado con Phytophthora cinnamomi durante décadas. Sin embargo, otras especies de Phytophthora como P. quercina y P. psychrophila se han asociado con el declive de Quercus en la parte oriental de España donde predominan los suelos calcáreos. Con el objetivo de investigar la implicación de Phytophthora spp. en el declive de la carrasca en el este de España, se seleccionaron dos bosques en diferentes zonas geográficas (Alcoi y Vallivana) como lugares de muestreo. Las muestras de suelo y raíz se analizaron por pirosequenciación de amplicones. Los resultados de la secuenciación masiva mostraron la diversidad de especies de Phytophthora, y reveló que un taxón nunca aislado de Phytophthora, llamado provisional Phytophthora taxon ballota, fue la especie predominante en ambas áreas. Además, se desarrolló un ensayo de PCR a tiempo real, basado en los resultados de la pirosequenciación, para la detección de este taxón de Phytophthora nunca aislado, y también para la detección de P. quercina / En els últims anys, l'augment del comerç mundial de plantes i el moviment humà ha promogut el risc d'introducció de plantes invasores i patògens exòtics. Les invasions biològiques operen a nivell mundial i es consideren de com la segona causa de pèrdua de biodiversitat després de l'alteració i destrucció directa de l'hàbitat. En aquest context, Phytophthora és un dels mes importants patògens vegetals i agressius en l'agricultura i la silvicultura. La detecció primerenca i la identificació de les seves vies resulten de gran importància per a minimitzar l'amenaça que representen per als ecosistemes naturals. S'han desenvolupat i aplicat diferents mètodes moleculars per a la detecció de patògens de plantes en mostres ambientals. Aquests mètodes permeten una detecció i identificació de patògens ràpida i precisa fins i tot quan la quantitat d'inòcul és baixa. Per tant, es proposa un nou mètode millorat per a la seva detecció en mostres ambientals a partir de l'extracció d'ADN ambiental (eDNA) de diferents fonts (sòl, arrels i aigua) i diferents ecosistemes. L'objectiu del primer capítol va ser aplicar HTS (High Throughput Sequencing) per investigar la presència de Phytophthora en diferents comunitats de plantes en boscos naturals, plantacions i ambients aquàtics al nord d'Espanya. L'eDNA es va extraure del sòl i de l'aigua dels rius i rierols dels boscos de Fagus sylvatica i Abies alba i de plantacions de Chamaecyparis lawsoniana i Pseudotsuga menziesii al nord d'Espanya (bosc d'Irati i Villanúa). Es va dissenyar i va aplicar un assaig específic per a la detecció de Phytophthora mitjançant la seqüenciació massiva de amplicons basat en la regió ITS1. Diferents valors de threshold es van analitzar per a la separació òptima d'espècies de Phytophthora en les anàlisis bioinformàtics. L'agrupament al 99% va ser el millor criteri per separar la major part de les espècies de Phytophthora. Múltiples Unitats Operacionals Taxonòmiques Moleculars (MOTU) corresponents a 36 espècies diferents de Phytophthora es van amplificar en les mostres ambientals. La piroseqüenciació d'amplicons de mostres de sòl va revelar una diversitat baixa de Phytophthora (13 espècies) en comparació amb les 35 espècies detectades en mostres d'aigua. Tretze dels MOTU detectats en els rius i rierols no van mostrar homologia amb seqüències dipositades en les bases de dades, el que revela que la pirosequenciació de l'ADN ambiental és una estratègia útil per avaluar la diversitat d'espècies de Phytophthora en els ecosistemes naturals. Una vegada que la tècnica va ser desenvolupada i validada, es va proposar un altre objectiu enfocat en el decaïment de la carrasca. La carrasca (Quercus ilex) és l'espècie arbòria més representativa de la Península Ibèrica i l'arbre principal de les deveses. El decaïment de la carrasca en sòls no calcaris al sud-oest d'Espanya s'ha associat amb Phytophthora cinnamomi durant dècades. No obstant això, altres espècies de Phytophthora com P. quercina i P. psychrophila s'han associat amb el declivi de Quercus a la part oriental d'Espanya on predominen els sòls calcaris. Amb l'objectiu d'investigar la implicació de Phytophthora spp. en el declivi de la carrasca a l'est d'Espanya, es van seleccionar dos boscos en diferents zones geogràfiques (Alcoi i Vallivana) com a llocs de mostreig. Les mostres de sòl i arrel es van analitzar per piroseqüenciació d'amplicons. Els resultats de la seqüenciació massiva van mostrar la diversitat d'espècies de Phytophthora, i va revelar que un taxó mai aïllat de Phytophthora, anomenat de forma provisional Phytophthora taxon ballota, va ser l'espècie predominant en les dues àrees. A més, es va desenvolupar un assaig de PCR a temps real, basat en els resultats de la piroseqüenciació, per a la detecció d'aquest taxó de Phytophthora mai aïllat, i també per a la detecció de P. quercina. Els assajos de qPCR es van aplicar en mo / Catalá García, S. (2017). Development of DNA massive sequencing techniques and Real-Time PCR for the detection, identification and quantitation of Phytophthora spp. in environmental samples [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90644 / TESIS

Taxon composition and biodiversity analyses are known powerful parameters for environmental site status and environment diagnosis. Many ecological studies assess taxon composition through traditional species identification and use bioindicator species to evaluate environmental conditions. The recent breakthrough in bulk sample sequencing combined with DNA barcoding has created a new era for environmental monitoring. Metabarcoding approaches are more robust in studying alpha, and beta diversity compare to the DNA barcoding and the conventional method of species identification, particularly for rare and cryptic species. Here we built upon ecological studies of bioindicator species and transferred the traditionally named taxa to DNA-based approaches. We developed a small customized DNA database for biodiversity assessment and taxonomic identification of environmental DNA samples using high-throughput amplicon sequences. It contains macroinvertebrate species that are known as indicators of specific environmental conditions. By implementing this small database into the KRAKEN algorithm for the first time, we were able to assess environmental biodiversity compared to other popular methods of taxonomic classification, especially in polluted environments where the taxonomic composition globally change by the presence of anthropogenic drivers. Our method is incredibly faster, and it requires significantly less computational power in contrast to common homology-based techniques. To evaluate our approach, we have also studied the importance of database’s size and the depth of sequencing in taxonomic classification of high-throughput DNA sequences. / Thesis / Master of Science (MSc) / We developed a small customized DNA database for biodiversity assessment and taxonomic identification of environmental DNA samples using high-throughput amplicon sequences. It contains macroinvertebrate species that are known as indicators of specific environmental conditions. By implementing this small database into the KRAKEN algorithm for the first time, we were able to assess environmental biodiversity compared to other popular methods of taxonomic classification, especially in polluted environments where the taxonomic composition globally change by the presence of anthropogenic drivers. Our method is incredibly faster, and it requires significantly less computational power in contrast to common homology-based techniques.

Most of the reef's biodiversity remains undiscovered due to its complex tridimensional structure and the small size of the organisms that compose most of its biodiversity. To better understand the biodiversity of the major biological component of the reef environment (the cryptobiome), artificial cubic-like tools called Autonomous Reef Monitoring Structures (ARMS) were created to mimic the tridimensional nature of coral reefs. Here, I deployed 16 ARMS within four distinct benthic habitats on Tahla reef in the Red Sea (Saudi Arabia) to investigate how changes in reef habitats reflect changes in associated biodiversity of the cryptobiome. The following habitat types were selected after reef surveys and based on benthic coverage prevalence: i) Algae Pavement; ii) Rubble; iii) Plating corals; and iv) Branching corals. Habitats were located at the same depth contour (~10m), under similar exposure conditions and separated by at least 35m. The rugosity of the habitats was estimated based on the chain method, whereas monthly measurements of the physicochemical characteristics of the water were assessed by water collections (nutrients and chlorophyll a) and Conductivity-Temperature-Depth (CTD) instrument deployments (temperature, salinity). A fixed quadrat of approximately 15m2 was marked within each habitat type and four ARMS were deployed randomly within it. Units were retrieved after a period of approximately seven months for analysis of pioneer eukaryotic assemblages through traditional taxonomy identification of organisms larger than 2000μm, and through molecular metabarcoding using COI and 18S markers for the remaining ARMS fractions: sessile, 500μm-2000μm, and 106μm-500μm. To compare two distinct current methodologies to assess cryptobenthic taxa, water collections next to each ARMS unit were conducted right before retrieval. These samples were used to investigate the environmental DNA using the same COI and 18S markers. The biodiversity of the pioneer cryptobiome assemblage was analyzed through a combination of univariate and multivariate statistical methods. Overall, the habitats that showed greatest significantly distinct cryptobenthic community composition were Algae Pavement and Plating Corals, the ARMS and eDNA were defined as complementary techniques to assess the cryptofauna, and the use of a multi-marker approach increased the resolution of the cryptofauna characterization across different reef habitats.

La plupart des écosystèmes sont aujourd'hui soumis à une pression anthropique croissante. Les études portant sur l'effet des activités humaines sur la biodiversité se multiplient mais elles se focalisent, principalement pour des raisons méthodologiques, sur un nombre restreint de groupes taxonomiques. L'originalité de ces travaux repose sur l'application d'une approche basée sur l'ADN environnemental permettant d'accéder à l'ensemble de la diversité biologique. Elle a ici été utilisée pour étudier l'impact des activités anthropiques sur les communautés biologiques et la résilience de ces dernières, à travers différentes échelles spatiales et temporelles. Dans une première partie, les communautés édaphiques, sous l'influence de diverses perturbations anthropiques, ont été caractérisées grâce à l'ADN contenu dans les sols. Ces études, réalisées dans différents milieux, mettent en évidence l'impact direct des activités humaines et leur influence sur les paramètres biotiques et abiotiques déterminant la distribution spatiale de la biodiversité des sols. La seconde partie se propose d'examiner l'impact à long terme des activités anthropiques au travers d'un exemple particulier en milieu de montagne. L'ADN contenu dans les archives sédimentaires lacustres a permis de retracer l'histoire des activités pastorales au cours de l'Holocène mais également les changements environnementaux que ceux-ci ont engendrés dans le bassin versant. L'approche mise en œuvre se révèle pertinente pour étudier à la fois les changements induits par les perturbations humaines sur les communautés et les facteurs influençant leurs dynamiques. Les résultats obtenus mettent notamment en lumière l'impact à long terme qu'exercent les activités anthropiques sur les communautés biologiques via les modifications profondes qu'elles génèrent sur les caractéristiques abiotiques du milieu. / Most ecosystems undergo an increasing anthropogenic pressure. Studies about the effects of human activities on biodiversity are proliferating but they focus on few taxonomical groups, mainly for methodological reasons. The originality of this work is based on the application of an approach based on environmental DNA that allows access to the biodiversity as a whole. It was used here to study the impact of anthropogenic activities on biological communities and the resilience of these latter, across different spatial and temporal scales. In the first part, edaphic communities under the influence of several human disturbances were characterized from soil DNA. These studies, performed in various environments, bring out the direct impact of human activities and their influence on biotic and abiotic parameters driving spatial distribution of soil biodiversity. In the second part, long-term impact of human activities was investigated through the analysis of lake sediments in the Alps. DNA from lacustrine sediments allowed to reconstruct livestock farming history over the Holocene and environmental changes that they induced in the catchment. We showed that this approach was relevant to study both changes generated by human disturbances on communities and factors driving their dynamics. Our results highlight the long-term impact of anthropogenic activities on biological communities, in relation to the alteration of environmental characteristics.

La fusariose des épis est une maladie affectant les grains de céréales, et particulièrement le blé. Elle est provoquée par des champignons du genre Fusarium spp. Les conséquences sur les cultures menacent directement les rendements et la qualité sanitaire des récoltes compte tenu de la capacité de ces champignons à produire des mycotoxines. Parmi les membres du complexe fusarien, Fusarium graminearum est l’espèce la plus fréquemment incriminée. En Bretagne, les exploitations agricoles sont particulièrement menacées par cette maladie. En effet, le climat de la région est favorable à son développement et les exploitants produisant tout ou partie de leurs aliments à la ferme privilégient des rotations céréalières avec un retour fréquent de maïs et de blé, ce qui accroît les risques. À ce jour, la lutte contre la fusariose des épis repose sur une gestion des résidus des récoltes, principale source d’inoculum primaire de F. graminearum, ainsi que sur des traitements fongicides au moment de la floraison. Le contexte socio-économique et le manque d’efficacité de ces méthodes nécessitent de trouver de nouvelles alternatives s’inscrivant dans la durabilité. Le premier objectif de ce travail était donc de mettre en place, d’évaluer et d’optimiser une stratégie de biocontrôle visant à réduire l’inoculum primaire de F.graminearum afin de diminuer la pression de la maladie au champ et ses conséquences sur les cultures. Des essais en microcosmes et au champ ont été mis en place dans ce but. Bien que l’agent de biocontrôle permettait de limiter le développement de F. graminearum dans des sols autoclavés, son efficacité était amoindrie dans des sols non-autoclavés, du fait des interactions avec le microbiote de ces sols. Dans un second temps, la diversité et la structure des communautés microbiennes telluriques de parcelles agricoles bretonnes ont été étudiées via une approche de metabarcoding. Nous avons mis en évidence que la diversité et l’abondance des communautés microbiennes d’un sol contribuent largement à diminuer l’inoculum primaire de F. graminearum et que ce microbiote est influencé par les pratiques agronomiques, climatiques et physico-chimiques. Enfin, l’étude a révélé une relation possible entre l’abondance de certains genres bactériens et la diminution de l’inoculum primaire de F. graminearum. Ce travail conduit à envisager les micro-organismes telluriques comme un levier agronomique permettant de réduire l’incidence de F. graminearum dans les cultures céréalières. / Fusarium Head Blight (FHB) is a devastating disease for cereals, and for wheat in particular, threatening both crop yields and quality, given the ability of Fusarium spp. to produce mycotoxins. Among the Fusarium species complex, Fusarium graminearum is the most common causal agent of the disease. The incidence of FHB in Brittany (France) can be particularly high. Indeed, the agronomic practices include cereal rotations with frequent wheat and maize crops which increase the risk of FHB. Moreover, the climate favors the pathogen development.Currently, appropriate management of the residues, on which F. graminearum grows saprophytically, and the use of fungicide treatments at flowering constitute the two main ways to manage FHB. However, these strategies do not always guaranty an appropriate crop protection. The low and variable efficacy of these methods, combined to the socio-economic pressures, urge to find effective and sustainable alternatives. In this context, the first objective of this work was to develop, evaluate and optimize a biocontrol strategy aiming to reduce F. graminearum primary inoculum in soils, and thus reduce FHB risk for the crops, using both laboratory and field experiments. Although the biocontrol product was able to limit the pathogen growth in autcolaved soils, its efficacy was reduced when taking the interactions with the soil microbiota into account. The diversity and the structure of soil microbial communities were then studied for 31 agricultural fields using a metabarcoding approach in order to highlight the influence of climatic conditions, agronomic practices and soil physicochemical factors. Metabarcoding analysis revealed the importance of diversity and abundance of the soil microbial communities to reduce F. graminearum primary inoculum. This microbiota was also found to be influenced by agronomic practices and physico-chemical factors. Finally, the abundance of specific bacterial genera was related to the reduction of F. graminearum primary inoculum. Outcomes of this work highlight the importance of the soil biological activity and suggest that a manipulation of the soil microbial communities might lead to a better FHB management.

Dans les agroécosystèmes, les réseaux trophiques sont souvent structurés à partir de la plante d’intérêt agronomique, qui permet aux herbivores qui lui sont associés de se développer, notamment les bioagresseurs. La monoculture de bananiers a permis au charançon du bananier (Cosmopolites sordidus) de prospérer. Les larves de C. sordidus se nourrissent exclusivement de bananiers et provoquent leur chute, réduisant fortement le rendement dans la plupart des régions de production. Cette thèse a cherché à élucider la structure et le fonctionnement du réseau trophique de la bananeraie et particulièrement les interactions trophiques qui lient le C. sordidus aux autres espèces. L’objectif appliqué en ligne de mire était de favoriser les prédateurs généralistes pour augmenter la régulation naturelle de C. sordidus.1. Quel est l’effet de l’ajout d’une plante de couverture sur la prédation de C. sordidus ? En utilisant une variété de méthodes – isotopes stables, piégeage, infestation artificielle de bananiers, nous avons testé avec succès l’hypothèse selon laquelle l’enherbement induit, via le développement de proies alternatives, un changement de régime alimentaire des prédateurs généralistes, une augmentation de leurs abondances et une plus forte prédation des oeufs de C. sordidus.2. Quel est la structure du réseau trophique ? Nous avons combiné le séquençage haut-débit (technologie 454) avec le concept de codes-barres à ADN pour identifier les proies présentes dans le contenu stomacal des consommateurs. Nous avons utilisé un marqueur chloroplastique (boucle P6 trnL) pour identifier le bol alimentaire des herbivores, et un marqueur mitochondrial (mini-CO1) pour les prédateurs. Cette approche a permis de détecter des espèces qui n’avaient pas été échantillonnées, d’identifier les prédateurs naturels de C. sordidus au champ, et de quantifier les interactions à l’échelle des populations.3. Comment la structure du réseau trophique peut-elle influencer la régulation de C. sordidus ? Nous avons cherché les différents éléments structuraux (motifs) présents dans le réseau trophique de deux agroécosystèmes bananiers (sur sol nu et sur sol enherbé), et analysé leurs fonctions. Nous avons notamment décelé un motif composé de 4 espèces (2 ressources et 2 consommateurs) qui est représenté en grand nombre par rapport à un modèle neutre de réseau trophique. Ce motif s’est révélé systématiquement déséquilibré en faveur d’une proie, ce qui démontre qu’une distribution asymétrique des forces d’interactions permet de structurer le réseau. L’analyse de la position de C. sordidus dans les motifs décelés a permis de révéler ses interactions préférentielles avec les autres espèces de la communauté.Cette thèse montre comment le couplage de méthodes innovantes et complémentaires permet d’avoir une approche globale du fonctionnement trophique de l’agroécosystème. Les résultats montrent l’importance des ressources primaires (autres que la plante cultivée) sur la structuration du réseau trophique des arthropodes et sur le potentiel de régulation des bioagresseurs. Ce travail illustre également le lien entre la structure globale d’une communauté et l’évaluation des fonctions qui y sont associées / In agroecosystems, food webs are often structured from the crop, which enables the associated herbivores, including pests, to develop. For instance, monoculture in banana fields allowed the development of the banana weevil (Cosmopolites sordidus) populations. Borrowing larvae of C. sordidus cause banana plants topple over, which dampens the yield in most production areas. In this Ph.D. thesis, we attempted to disclose the structure and function of the banana food web, and particularly the trophic interactions that link banana weevil to others species. The applied perspective was to enhance population of generalist predators in order to increase the natural regulation of the pest.1. What is the effect of adding a cover crop on the predation of the pest?By using a variety of methods - stable isotopes analyses, trapping, artificial infestation of banana trees, we successfully tested the hypothesis according to which the addition of a cover crop, by enabling population of alternative preys to develop in the system, induces a change in predator diet, an increase of predator densities, and a greater predation rate on the eggs of C. sordidus.2. How is structured the food web?We combined next generation sequencing (454 technology) with the DNA barcoding concept to identify prey into gut contents of consumers. We used a chloroplastic marker (trnL) to identify the diet of herbivores, and a mitochondrial marker (CO1) for predators. This approach enabled the detection of unexpected species, the identification of the natural enemies of the pest, and the weighting of trophic interactions at the population scale.3. How can food web structure influence pest regulation?We searched structural elements (network motifs) occurring in the food webs of two banana agroecosystems (on bare soil and with cover crop), and we inferred the system functions. We detected the “bi-fan” size-4 motif, which occurred more frequently in the cover cropped food web than in random food webs. Interestingly, this motif was unbalanced for one of the two resources, illustrating the asymmetrical distribution of interaction strengths that shapes food web structure. The analysis of the position of C. sordidus within key motifs revealed its preferential interactions with other species of the community.This Ph.D. thesis emphasizes how linking innovative and complementary methods provides a comprehensive approach of the trophic functioning of the banana agroecosystem. Our results show the importance of primary resources (other than the cultivated crop) on the structure of arthropods’ food webs and on the pest regulation potential. This work also illustrates the link between the community structure and the evaluation of associated functions (i.e. pest regulation)

Les mécanismes expliquant le maintien de la diversité végétale dans les forêts tropicales sont mal connus. Une hypothèse particulièrement étudiée est l’hypothèse Janzen-Connell qui postule que ces mécanismes sont essentiellement causés par les interactions entre les plantes et leurs ennemis naturels, en particulier les organismes pathogènes. Dans cette thèse, nous nous sommes donc intéressés aux agents pathogènes présents dans les sols d’une forêt guyanaise et à leur lien de spécificité avec les plantes. Dans le cas où l’hypothèse Janzen-Connell serait vérifiée, on peut s’attendre à ce que les plantes structurent les communautés de micro-organismes pathogènes. Nos travaux se sont focalisés sur les Oomycètes et en particulier les Phytophthora, pathogènes des arbres très importants, mais nous nous sommes aussi intéressés aux champignons pathogènes. Ainsi, nous avons développé et comparé des jeux d’amorces PCR spécifiques des Phytophthora et des Péronosporomycètes afin d’étudier ces organismes par metabarcoding. Ces amorces ont ensuite servi à étudier la diversité des communautés de Phytophthora dans des échantillons de sols de deux sites forestiers de Guyane Française prélevés au pied d’arbres appartenant à 10 familles végétales. Une faible diversité a été retrouvée, avec seulement 8 taxons en tout, et la très large dominance d’un complexe d’espèces Phytophthora heveae. La structuration par la plante-hôte de ces communautés est plutôt faible. Dans une étude complémentaire, nous avons analysé la diversité des Oomycètes et des champignons pathogènes dans les sols et les litières de six plantations monospécifiques et au sein d’une forêt naturelle de Guyane. La structuration par l’hôte s’est avérée nulle pour les Oomycètes et faible pour les champignons pathogènes. Enfin, nous n’avons pas réussi à déclencher expérimentalement des mortalités ou dépérissements par des Oomycètes sur le wacapou, une espèce d’arbre guyanaise, via des inoculations de sols de forêt. Au final, les résultats de cette thèse ne supportent pas l’hypothèse selon laquelle les Oomycètes seraient d’importants acteurs du maintien de la diversité végétale dans les forêts tropicales. Par ailleurs, ils nous interrogent sur la faible diversité de ce groupe de microorganismes dans les sols et litières dans un hotspot de diversité végétale. / The mecanisms implied in the maintenance of plant diversity in tropical forests are still poorly known. One particularly studied hypothesis is the Janzen-Connell hypothesis, which posits that these mecanisms are essentially caused by the interactions between plant and their natural enemies, including pathogenic organisms. In this thesis, we looked at the pathogenic organisms present in the soils of a Guyanese forest, and the specificity of their interactions withplants. In the case where the Janzen-Connell hypothesis would be verified, we could expect that pathogenic micro-organisms communities would be structured by plants. Our works focused on Oomycetes and especially the Phytophthora, which are very important pathogens of trees, but we also took an interest on pathogenic Fungi. Thus, we developed PCR primer sets specific of the Phytophthora and Peronosporomycete groups, in order to study these organismsthroughmetabarcoding. These primers were then used to investigate the community of Phytophthora in soils sampled from two French Guiana sites, near trees belonging to 10 families. A low diversity was described, with a total of only 8 taxas, and the overwhelming dominance of the species complex P. heveae. A weak host effect was detected. In a complementary study, we looked at the diversity of Oomycetes and Fungi in soils and litters of six monospecific tree plantations and a Guianese natural forest. Structuration by host appeared to be null for Oomycetes and weak for pathogenic Fungi. Finally, we did not success in trying to experimentally provoke, through forest soil inoculations, Janzen-Connell mortalities due to Oomycetes on the Wacapou, a Guianese tree species. In the end, the results of this thesis do not support the hypothesis that Oomycetes may be important agents of the maintenance of tree diversity in tropical forests. Moreover, they bring some questions about the low diversity of this group of micro-organisms in a tree diversity hotspot.

La thèse porte sur l'impact de changements globaux sur la diversité taxonomique et fonctionnelle des champignons du sol. L'impact de l'intensification agricole sur les champignons mycorhiziens à arbuscules a été évalué par comparaison des communautés fongiques présentes sur des sites Européens soumis à différents niveaux d'intensification dans l'usage des terres. La diversité taxonomique a été appréciée par « métabarcoding » sur l'ADN de sol. L'effet de l'intensification apparait lié au contexte local. L'adaptation aux conditions environnementales locales ainsi que des processus stochastiques semblent jouer un rôle important dans le modelage des communautés fongiques. L'effet des changements climatiques en zone Méditerranéenne a été évalué sur les sols d'un site expérimental où une réduction de la pluviométrie a été établie. Nous avons réalisé une approche de séquençage haut débit de 4 familles géniques, 3 d'entre elles codant des enzymes actives sur la biomasse végétale. La date d'échantillonnage, et non la réduction de pluviométrie, a un fort impact sur la diversité béta. Nous formulons l'hypothèse que les communautés fongiques présentes sur des sites soumis à de fortes et récurrentes variations climatiques ont développé des stratégies adaptatives leur conférant une résistance à des variations d'une plus forte intensité. Enfin, une technique indépendante de la PCR (« solution hybrid selection capture ») a été adaptée pour étudier la diversité fonctionnelle des communautés eucaryotes à partir d'ARN de sol. Cette approche, testée sur une famille génique codant des endoxylamases a permis l'isolement d'ADNc complets produisant des enzymes fonctionnelles dans la levure / In this thesis we assessed the impact of two drivers of global change on the taxonomic and functional diversity of soil fungi. The impact of changes in land use on symbiotic Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) was evaluated comparing AMF communities from European sites with different levels of land use intensification. AMF taxonomic diversity was assessed by metabarcoding using soil-extracted DNA. The effect of land use intensification was found to be context-dependent. Adaptation to local environmental conditions and stochastic processes may play important roles in shaping these communities. The effect of climate change in the Mediterranean area was assessed in soils collected from an experimental forest where a rainfall reduction experiment had been established. A parallel high-throughput metabarcoding on soil-extracted RNA was performed on four transcribed fungal genes, 3 of them encodind enzymes involved in plant biomass degradation. Analyses indicated that sampling time had a strong impact on beta-diversity indices, while rainfall reduction had not. We hypothesized that microbial communities present in environments which naturally experience strong and recurrent climatic variations have developed adaptive strategies to cope with these variations and may be to some extent resistant to further climate changes. Finally, an original PCR-independent technique (“solution hybrid selection capture”) was adapted to study the functional diversity of eukaryotic microbial communities using soil RNA. The approach, tested on an endoxylanase gene family, allowed the efficient recovery of full-length cDNA which could be expressed as functional proteins in yeast

Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Bióloga con mención medio ambiente. / Conocer la composición y riqueza de especies que componen un ecosistema dado es uno de los factores más relevantes al realizar estudios de biodiversidad, tanto como para satisfacer los requerimientos legales, como por su valor intrínseco, único e incalculable. Los estudios que contienen información sobre la riqueza y composición íctica en ecosistemas acuáticos continentales se realizan habitualmente con un equipo de pesca eléctrica que deja inconsciente a los peces y estos se pueden capturar e identificar, metodología sesgada por el esfuerzo de muestreo, abundancia y tamaño corporal de los peces, además de ser potencialmente mortal. En los últimos años, se ha usado el ADN extraído desde una muestra ambiental de agua para detectar la presencia de macroorganismos en sistemas acuáticos (e.g. peces, anfibios, macroinvertebrados). Utilizando herramientas de genómica comunitaria, se realiza la técnica de metabarcoding en muestras de ADN ambiental, que consiste en amplificar mediante PCR una porción específica del ADN comunitario usando partidores universales, para secuenciar de forma masiva con tecnologías de próxima generación (Next Generation Sequencing, NGS). En este estudio se evaluó la riqueza y composición íctica en dos ecosistemas lénticos del altiplano chileno y en seis puntos lo largo de la cuenca del Río Maipo realizando metabarcoding del gen COI (Citocromo Oxidasa I) en muestras de ADN ambiental y se comparó lo obtenido con la metodología estándar de pesca eléctrica. Además, se evaluó el desempeño de estas metodologías al comparar la riqueza y composición esperada con información de capturas históricas y recientes. Los resultados mostraron que el metabarcoding de ADN ambiental es una herramienta altamente sensible al detectar igual o mayor riqueza que lo obtenido con pesca eléctrica y detectando los taxa esperados en los ecosistemas estudiados. Un aspecto relevante es que se pudo (i) identificar y diferenciar las especies cripticas Trichomycterus areolatus y Trichomycterus maculatus, (ii) detectar al bagre Nematogenis inermis (EN) y (iii) detectar a especies exóticas invasoras tales como Salmo trutta y Oncorhynchus mykiss. Estos resultados sugieren que el metabarcoding de ADN ambiental es una herramienta con el potencial de aumentar la tasa de detección de especies raras, cripticas, en baja abundancia y/o exóticas en ecosistemas acuáticos continentales de Chile, pudiendo ser en el futuro un elemento importante para el monitoreo de la diversidad con bajo impacto. / Knowing species composition and richness of an ecosystem is one of the key issues in biodiversity studies, to satisfy legal requirements and due to its intrinsic, unique and incalculable value. Studies that contain information about fish species composition and richness in freshwater environments are usually made using an electrofishing equipment. This technique paralyzes fish, and afterwards they can be captured and identified. Unfortunately, this method is biased by sampling effort, body size and abundance, and can be life threatening for fish. In recent years, DNA extracted from an environmental sample of water has been used to detect the presence of macroorganisms in aquatic systems (e.g. fish, amphibians and macroinvertebrates). Using a community genomic approach with environmental DNA (eDNA), the metabarcoding technique consists in amplify a small portion of community DNA through conventional PCR using universal primers, and then sequencing the PCR product using next-generation sequencing technologies (NGS). After a series of computational steps, the identity and taxonomy of each sequence within samples can be known. In this study, fish richness and composition was evaluated with metabarcoding of the gen COI (cytochrome c oxidase subunit I) in two lentic ecosystems of the Chilean Altiplano and from six sites along the Maipo river basin. Number of species obtained through metabarcoding was compared to what was obtained using electro-fishing. Additionally, performance of these methodologies was evaluated by comparing observed with expected richness and composition, as reviewed by data gathered through historical and recent fish survey. Results showed that eDNA metabarcoding is a highly sensitive tool that detects equal or greater species richness than electrofishing, and all expected taxa were identified in the ecosystems studied. It is noteworthy to mention that (i) the cryptic species Trichomycterus areolatus and Trichomycterus maculatus could be identified and differentiated, (ii) the catfish Nematogenis inermis (EN) and (iii) the invasive alien species such as Salmo trutta and Oncorhynchus mykiss could be also detect. These results suggest that environmental DNA metabarcoding is a promising tool with potential to increase detection rates of rare, cryptic, low abundance and exotic species in freshwater ecosystems in Chile, which could be, in the near future, an important element for monitoring diversity with low impact. / Diciembre 2020

Understanding the factors influencing species ranges and dispersal are becoming increasingly important as climate change alters species distributions worldwide. If species are to persist, life-history strategies must rapidly evolve to accommodate shifting environments. This dissertation assesses the factors modulating dispersal in corals. First, I examined if there were any systematic differences in settlement between Indo-Pacific and Caribbean coral larvae that might explain Caribbean recruitment failures. No differences were observed, however I detected significant divergences in settlement cue preferences among coral species across both the Caribbean (Diploria strigosa, and Montastraea franksi) and the Indo-Pacific (Acropora tenuis, A. millepora, and Favia lizardensis), even for coral larvae from the same reef. Secondly, I established the extent of coral dispersal between remote reefs. I evaluated the genetic diversity and divergence across Micronesia for two coral species and investigated if these islands served as a connectivity corridor between the Indo-West-Pacific (Coral Triangle) and the Central Pacific. I found isolation-by-distance patterns whose strength depended on species, suggesting these corals are not panmictic across their ranges and that island stepping-stones facilitate gene flow to remote Pacific reefs. Next, I investigated genetic structure of symbionts in these same corals, to see if horizontally transmitted symbionts are less dispersive than their coral hosts. Symbiont genetic divergence between islands was an order of magnitude larger than host divergence and both host species and environment modulated symbiont composition. These results suggest that symbiont populations are host-specific and associating with local symbionts might be a mechanism for broadly dispersing corals to adapt locally. Lastly, I estimated heritable variation in dispersal-related traits in coral larvae. I observed strong heritable variation in gene expression, as well as parental effects on two phenotypic traits, settlement and fluorescence. I observed that patterns of differential expression in three-day-old larvae predicted variation in settlement and fluorescence two days later. Correlations between proteoglycan expression and settlement suggest that the larval extracellular matrix plays a role in settlement. Down-regulation of ribosomal proteins and differential expression of oxidative stress genes correlated with increasing fluorescence, possibly indicating reduced growth and increased stress. Overall, this dissertation contributes to our knowledge of factors affecting coral dispersal and the potential for evolution of dispersal-related traits. / text