abstract: Human activity has increased loading of reactive nitrogen (N) in the environment, with important and often deleterious impacts on biodiversity, climate, and human health. Since the fate of N in the ecosystem is mainly controlled by microorganisms, understanding the factors that shape microbial communities becomes relevant and urgent. In arid land soils, these microbial communities and factors are not well understood. I aimed to study the role of N cycling microbes, such as the ammonia-oxidizing bacteria (AOB), the recently discovered ammonia-oxidizing archaea (AOA), and various fungal groups, in soils of arid lands. I also tested if niche differentiation among microbial populations is a driver of differential biogeochemical outcomes. I found that N cycling microbial communities in arid lands are structured by environmental factors to a stronger degree than what is generally observed in mesic systems. For example, in biological soil crusts, temperature selected for AOA in warmer deserts and for AOB in colder deserts. Land-use change also affects niche differentiation, with fungi being the major agents of N2O production in natural arid lands, whereas emissions could be attributed to bacteria in mesic urban lawns. By contrast, NO3- production in the native desert and managed soils was mainly controlled by autotrophic microbes (i.e., AOB and AOA) rather than by heterotrophic fungi. I could also determine that AOA surprisingly responded positively to inorganic N availability in both short (one month) and long-term (seven years) experimental manipulations in an arid land soil, while environmental N enrichment in other ecosystem types is known to favor AOB over AOA. This work improves our predictions of ecosystem response to anthropogenic N increase and shows that paradigms derived from mesic systems are not always applicable to arid lands. My dissertation also highlights the unique ecology of ammonia oxidizers and draws attention to the importance of N cycling in desert soils. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Biology 2013

En 1977, Carl Woese sépare les procaryotes en deux grands groupes en proposant une nouvelle classification basée sur des critères phylogénétiques. Les Archaea deviennent ainsi un domaine à part entière aux cotés des Bacteria et des Eucarya. Depuis, la compréhension de ce nouveau groupe et de ses relations avec les deux autres domaines, essentielles pour comprendre l’évolution ancienne du vivant, est largement passée par l’étude de leur phylogénie. Presque 40 ans de recherche sur les archées ont permis de faire évoluer leur image : de bactéries vivant dans des milieux spécialisés, souvent extrêmes, on est passé à un domaine indépendant, très diversifié aussi bien génétiquement, métaboliquement ou encore écologiquement. Ces dernières années la barre symbolique de cent génomes complets d’archées séquencés a été franchie et, parallèlement, les projets génomiques et métagénomiques sur des groupes peu caractérisés ou de nouvelles lignées de haut rang taxonomique (e.g. Nanohaloarchaea, Thaumarchaeota, ARMAN, Aigarchaeota, groupe MGC, groupe II des Euryarchaeota, etc.) se sont multipliés. Tout ceci apporte un matériel sans précédent pour l’étude de l’histoire évolutive et de la diversité des Archaea. Les protéines ribosomiques ont été utilisées de façon courante pour inférer la position phylogénétique des nouvelles lignées d’Archaea. Néanmoins, les phylogénies résultantes ne sont pas complètement résolues, laissant des interrogations concernant d’importantes relations de parenté. La recherche de nouveaux marqueurs est donc cruciale et c’est dans ce contexte que mon projet de thèse s’inscrit. À partir de l’analyse des génomes de deux Thaumarchaeota et d’une Aigarchaeota, nous avons identifié 200 protéines conservées et bien représentées dans les différents phyla d’archées. Ces protéines sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires, ce qui peut apporter un signal phylogénétique complémentaire à celui des marqueurs de type informationnel utilisés par le passé. En plus de confirmer la plupart des relations phylogénétiques inférées à partir de ces derniers (i.e., protéines ribosomiques et sous unités de l’ARN polymérase), l’analyse phylogénétique de ces nouveaux marqueurs apporte un signal permettant une meilleure résolution de la phylogénie des archées et la clarification de certaines relations jusqu’ici confuses. Un certain nombre de ces nouveaux marqueurs sont aussi présents chez les bactéries. Les relations entre les grands phyla d’archées restant encore non résolues, nous avons utilisé ces protéines pour essayer de placer la racine de l’arbre des Archaea en utilisant comme groupe extérieur les bactéries. Nous avons ainsi pu identifier 38 protéines, parmi les 200 sélectionnées précédemment, ayant un signal phylogénétique suffisamment fiable pour cette étude, auxquelles nous avons ajouté 32 protéines ribosomiques universelles. L’utilisation conjointe de ces données nous a permis de placer la racine entre les Euryarchaeota, d’une part, et un groupe rassemblant les Thaumarchaeota, les Aigarchaeota, les Korarchaeota et les Crenarchaeota, d’autre part. Ce nouvel éclairage sur l’évolution ancienne des archées nous a amené à proposer une révision de leur taxonomie avec, principalement, la création du nouveau phylum "Proteoarchaeota" contenant les quatre phyla actuels que nous proposons de rétrograder en classes : Thaumarchaea, Aigarchaea, Korarchaea et Crenarchaea.Finalement, l’analyse des protéines codées dans les trois génomes qui ont servi de point de départ de ma thèse nous a permis de générer une masse considérable de données qui ont révélé des traits particuliers ou encore des histoires évolutives inattendues. Un exemple est l’histoire du complexe formé par la chaperonne DnaK et de ses co-chaperonnes GrpE, DnaJ, et DnaJ-Fer chez les Thaumarchaeota, impliquant plusieurs transferts horizontaux entre les trois domaines du vivant. / In 1977, Carl Woese proposed a new classification of organisms based on phylogenetic criteria where he divided prokaryotes into two major groups. Thus, Archaea were defined as a new domain, together with Bacteria and Eucarya. Since then, the study of this group and its relationships with the two other domains, essential to understand the early evolution of Life, has been largely done through the investigation of its phylogeny. Almost 40 years of research on the archaea have led to a significant evolution of the knowledge on this group: from considering them as bacteria living in specialized environments, most often extreme ones, to defining them as an independent domain, highly diversified in genetic, metabolic and ecological terms. During the last years, the symbolic barrier of 100 complete archaeal genome sequences has been reached and, simultaneously, many genome projects from poorly-known groups or new high-rank lineages (e.g., Nanohaloarchaea, Thaumarchaeota, ARMAN, Aigarchaeota, MGC, group II Euryarchaeota, etc.) have been launched. All this provides unprecedented information to study the evolutionary history of Archaea. Ribosomal proteins have been used recurrently to infer the phylogenetic position of new archaeal lineages. Nevertheless, the resulting phylogenies are not fully resolved and several important nodes remain uncertain. The identification of new phylogenetic markers is therefore crucial. This represents the framework of my PhD thesis project. On the basis of the analysis of the genome sequences of two Thaumarchaeota and one Aigarchaeota, we have identified 200 conserved proteins well represented among the different archaeal phyla. These proteins are involved in a number of cellular functions, thus providing a phylogenetic signal complementary to the one obtained from the informational proteins (i.e., ribosomal proteins and RNA polymerase subunits). The phylogenetic analysis of these new markers has led to a better resolution of the archaeal phylogeny, including several relationships that remained unclear. Several of the new markers are also present in bacteria. Since the relationships among the different archaeal phyla are not yet resolved, we have used those markers to try to place the root of the archaeal phylogeny using the bacterial sequences as outgroup. We have identified 38 proteins among the 200 detected before containing a phylogenetic signal useful for that purpose, to which we have added 32 universal ribosomal proteins. The use of this complete dataset allowed us locating the root between the Euryarchaeota and a large group joining the Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Korarchaeota and Crenarchaeota. This new result on the ancient evolutionary history of Archaea has led us to propose a taxonomic revision for this domain, in particular the erection of a new phylum "Proteoarchaeota", containing the current four phyla that we propose to retrograde into classes (Thaumarchaeales, Aigarchaeales, Korarchaeales and Crenarchaeales). Finally, the analysis of the proteins encoded by the three reference genomes at the origin of this work has generated a large amount of data, which reveals particular traits in certain organisms or unexpected evolutionary histories. One example concerns the evolution in Thaumarchaeota of the protein complex composed of the DnaK chaperon and its co-chaperons GrpE, DnaJ, and DnaJ-Fer, which involves several horizontal gene transfer events among the three domains of Life.

Depuis la découverte d’archées capables d’oxyder l’ammoniac en milieu aérobie, de nombreuses études ont mesuré en simultané les taux de nitrification et la diversité des organismes oxydant l’ammoniac dans la colonne d’eau des milieux marins. Malgré l’importance globale des lacs d’eau douce, beaucoup moins d’études ont fait la même chose dans ces milieux. Dans cette étude, nous avons évalué l’importance de la nitrification et caractérisé la communauté microbienne responsable de la première étape limitante de la nitrification dans un lac tempéré durant une année entière. L’utilisation de traceur isotopique 15NH4 nous a permis de mesurer des taux d’oxydation d’ammoniac à deux profondeurs dans la zone photique tout au long de l’année. Les taux d’oxydation d’ammoniac varient de non détectable à 333 nmol L-1 j-1 avec un pic d’activité sous la glace. De toutes les variables environnementales mesurées, la concentration d’ammonium dans la colonne d’eau semble avoir le plus grand contrôle sur les taux d’oxydation d’ammoniac. Nous avons détecté la présence d’archées (AOA) et de bactéries oxydante d’ammoniac (BOA) à l’aide de tests par réaction en chaîne de la polymérase (PCR) ciblant une partie du gène ammoniac monoxygénase (amoA). Les AOA et les BOA ont été détectées dans la zone photique du lac, cependant seules les AOA étaient omniprésentes durant l’année. Le séquençage du gène amoA des archées révèle que la majorité des AOA dans le lac sont membres du groupe phylogénétique Nitrosotalea (également appelé SAGMGC-1 ou groupe I.1a associé), ce qui confirme la pertinence écologique de ce groupe dans les eaux douces oligotrophes. Globalement, nos résultats indiquent l’hiver comme étant un moment propice pour l’oxydation de l’ammoniac dans les lacs tempérés. Cette étude fournit un point de référence pour la compréhension du processus d’oxydation de l’ammoniac dans les petits lacs oligotrophes. / Since the discovery that some archaea are able to oxidize ammonia aerobically, several studies have focused on measuring nitrification rates and identifying the diversity of planktonic ammonia oxidizers in marine systems. Despite the global importance of freshwater lakes, far fewer studies have done the same in these ecosystems. Here we investigated the importance of nitrification and characterize the microbial community catalyzing the first rate-limiting step of nitrification over an annual cycle in a temperate lake. The measurements of ammonia oxidation rates, using the 15NH4+ isotope tracer method, at two depths in the photic zone show that this process occurred throughout the entire year in the lake. Rates of ammonia oxidation ranged from undetectable to 333 nmol L-1 d-1 with a peak of activity during winter. Off all environmental variables measured, ammonium concentrations in the water-column seem to have the strongest effect on the magnitude of ammonia oxidation rates. We detected the presence of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) using polymerase chain reaction (PCR) assays targeting part of the ammonia monooxygenase (amoA) gene. Both AOA and AOB were detected in the photic zone of the lake, although only AOA were omnipresent over the year. The sequencing of archaeal amoA genes reveals that most of the AOA in the lake are members of the Nitrosotalea cluster (also referred as SAGMGC-1 or group I.1a associated), which confirms the ecological relevance of this cluster in oligotrophic freshwaters. Altogether, our results indicate that winter may be a critical time for ammonia oxidation in temperate lakes and provide a baseline for the understanding of ammonia oxidation in small oligotrophic lakes.

En 1977, Carl Woese sépare les procaryotes en deux grands groupes en proposant une nouvelle classification basée sur des critères phylogénétiques. Les Archaea deviennent ainsi un domaine à part entière aux cotés des Bacteria et des Eucarya. Depuis, la compréhension de ce nouveau groupe et de ses relations avec les deux autres domaines, essentielles pour comprendre l'évolution ancienne du vivant, est largement passée par l'étude de leur phylogénie. Presque 40 ans de recherche sur les archées ont permis de faire évoluer leur image : de bactéries vivant dans des milieux spécialisés, souvent extrêmes, on est passé à un domaine indépendant, très diversifié aussi bien génétiquement, métaboliquement ou encore écologiquement. Ces dernières années la barre symbolique de cent génomes complets d'archées séquencés a été franchie et, parallèlement, les projets génomiques et métagénomiques sur des groupes peu caractérisés ou de nouvelles lignées de haut rang taxonomique (e.g. Nanohaloarchaea, Thaumarchaeota, ARMAN, Aigarchaeota, groupe MGC, groupe II des Euryarchaeota, etc.) se sont multipliés. Tout ceci apporte un matériel sans précédent pour l'étude de l'histoire évolutive et de la diversité des Archaea. Les protéines ribosomiques ont été utilisées de façon courante pour inférer la position phylogénétique des nouvelles lignées d'Archaea. Néanmoins, les phylogénies résultantes ne sont pas complètement résolues, laissant des interrogations concernant d'importantes relations de parenté. La recherche de nouveaux marqueurs est donc cruciale et c'est dans ce contexte que mon projet de thèse s'inscrit. À partir de l'analyse des génomes de deux Thaumarchaeota et d'une Aigarchaeota, nous avons identifié 200 protéines conservées et bien représentées dans les différents phyla d'archées. Ces protéines sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires, ce qui peut apporter un signal phylogénétique complémentaire à celui des marqueurs de type informationnel utilisés par le passé. En plus de confirmer la plupart des relations phylogénétiques inférées à partir de ces derniers (i.e., protéines ribosomiques et sous unités de l'ARN polymérase), l'analyse phylogénétique de ces nouveaux marqueurs apporte un signal permettant une meilleure résolution de la phylogénie des archées et la clarification de certaines relations jusqu'ici confuses. Un certain nombre de ces nouveaux marqueurs sont aussi présents chez les bactéries. Les relations entre les grands phyla d'archées restant encore non résolues, nous avons utilisé ces protéines pour essayer de placer la racine de l'arbre des Archaea en utilisant comme groupe extérieur les bactéries. Nous avons ainsi pu identifier 38 protéines, parmi les 200 sélectionnées précédemment, ayant un signal phylogénétique suffisamment fiable pour cette étude, auxquelles nous avons ajouté 32 protéines ribosomiques universelles. L'utilisation conjointe de ces données nous a permis de placer la racine entre les Euryarchaeota, d'une part, et un groupe rassemblant les Thaumarchaeota, les Aigarchaeota, les Korarchaeota et les Crenarchaeota, d'autre part. Ce nouvel éclairage sur l'évolution ancienne des archées nous a amené à proposer une révision de leur taxonomie avec, principalement, la création du nouveau phylum "Proteoarchaeota" contenant les quatre phyla actuels que nous proposons de rétrograder en classes : Thaumarchaea, Aigarchaea, Korarchaea et Crenarchaea.Finalement, l'analyse des protéines codées dans les trois génomes qui ont servi de point de départ de ma thèse nous a permis de générer une masse considérable de données qui ont révélé des traits particuliers ou encore des histoires évolutives inattendues. Un exemple est l'histoire du complexe formé par la chaperonne DnaK et de ses co-chaperonnes GrpE, DnaJ, et DnaJ-Fer chez les Thaumarchaeota, impliquant plusieurs transferts horizontaux entre les trois domaines du vivant.