Les sols sont le plus grand réservoir de carbone des écosystèmes terrestres, et la minéralisation des matières organiques par l’activité microbienne représente la majeure partie des flux de CO2 émis à la surface des continents.Dans ce travail, nous avons étudié les matières organiques extraites à l’eau (WEOM), qui correspondent à la fraction la plus réactive des matières organiques du sol (MOS). Nos objectifs étaient (i) d’identifier les liens de la dynamique du WEOM avec les communautés bactériennes, et avec les paramètres physico-chimiques du sol ; (ii) de réaliser une caractérisation chimique précise du WEOM.Il existe un lien fort entre la solubilité des MOS et les structures des communautés bactériennes, et une baisse de leur diversité impacte la dynamique des MOS et du WEOM, et provoque une baisse de la minéralisation des matières organiques. Une étude à l’échelle régionale a également permis d’identifier que les taux de MOS et d’argile contrôlent les quantités de WEOM et leur aromaticité. La caractérisation au niveau moléculaire a montré la présence d’un grand nombre de molécules ubiquistes dans le WEOM. À partir de ces analyses, nous avons également pu décrire les effets du couvert végétal et des propriétés physico-chimiques des sols sur la composition chimique du WEOM. / Soils are the greatest reservoir of C on the continents, and organic matter mineralisation bymicrobial activity represents the major part of the CO2 emitted by terrestrial ecosystems.In this work, we studied water-extractable organic matter (WEOM), which corresponds to themore reactive fraction of soil organic matter (SOM). Our objectives were (i) to identify therelationships of WEOM dynamics with bacterial communities, and with soil physico-chemicalparameters; (ii) to provide a precise chemical characterisation of WEOM.There is a strong link between SOM solubility and the structure of bacterial communities, andan erosion of their diversity has an impact on SOM and WEOM dynamics, and leads to adecrease in organic matter mineralisation. A study at the regional scale then allowed us to identifythat the SOM and clay contents control the quantities of WEOM and its aromaticity. TheWEOM characterisation at the molecular level revealed the presence of a large number ofubiquitous molecules in the WEOM. Based on these analyses, we were also able to describe theeffects of vegetation and soil physico-chemical properties on the chemical composition ofWEOM.

Lorsque deux espèces exploitent la même niche écologique, elles entrent en compétition pour l'accès aux ressources. Or, un accès limité aux ressources réduit la fitness des individus. La compétition interspécifique va donc agir comme une pression de sélection qui peut mener à des modifications physiologiques ou comportementales pour partager les ressources, car si elles ne sont pas partagées la compétition entraînera le déplacement ou la disparition d'une des deux espèces. Aleochara bilineata et A. bipustulata sont deux coléoptères staphylins parasitoïdes qui s'attaquent à la mouche du chou Delia radicum. Elles ont des paramètres biologiques différents, notamment au niveau des traits d'histoire de vie (qui semblent avantager A. bipustulata) et du spectre d'hôtes (plus généraliste chez A. bipustulata). Ces deux espèces partagent cependant la même stratégie d'exploitation des hôtes et présentent l'originalité que la femelle pond ses œufs à proximité des hôtes et non à l'intérieur, ce qui les distingue des hyménoptères parasitoïdes qui font l'objet de nombreuses études. La larve Aleochara de premier stade est donc mobile et doit trouver et sélectionner elle même un hôte pour s'y développer. Il y a ainsi des possibilités d'adaptations comportementales à la compétition à la fois pour les adultes et les larves de premier stade. Dans ce projet de thèse, nous avons donc choisi d'explorer la niche écologique de ces deux espèces de façon originale en étudiant les modifications comportementales induites par la présence de compétiteurs à la fois chez les femelles adultes et les larves de premier stade. Nous avons également identifié les communautés bactériennes associées aux deux espèces en compétition mais aussi à leur hôte D. radicum et à un autre compétiteur parasitoïde, l'hyménoptère Trybliographa rapae, dans le but d'étudier ultérieurement les impacts des différents partenaires bactériens sur la niche écologique des deux espèces de coléoptères en compétition. Nos résultats montrent que les femelles de l'espèce spécialiste A. bilineata adaptent leurs comportements aux compétiteurs qu'elles rencontrent et sélectionnent les sites de ponte présentant les meilleures chances de succès parasitaire pour leurs larves. Par ailleurs, les larves de premier stade de l'espèce spécialiste dominent largement la compétition larvaire lorsqu'elles sont en compétition avec les larves de l'espèce généraliste. Enfin, les communautés bactériennes des deux espèces de coléoptères sont plus proches entre elles qu'avec les autres membres du réseau trophique étudiés mais comportent des différences à explorer. Ces résultats sont discutés dans le cadre de l'adaptation des choix comportementaux des individus d'une espèce spécialiste à la présence de compétiteurs généralistes et de la coexistence de ces deux espèces dans le milieu naturel. / When two species live in the same ecological niche, they compete for resources. Since a limited access to resources reduces fitness, interspecific competition represents a selection pressure that can lead to physiological or behavioral changes to share resources, because not sharing them will cause the displacement or disappearance of the weaker competitor. Aleochara bilineata and Aleochara bipustulata are two coleopteran parasitoids and attack the same host, the cabbage root fly Delia radicum. These two species have different biological parameters, particularly in their life history traits (which seem to favor A. bipustulata) and host spectrum (A. bipustulata is more generalist). These two species share the same strategy to exploit their host (idiobiont ectoparasitoid). Unlike parasitoid wasps (the object of most studies on parasitoids) coleopteran parasitoid females do not lay their eggs directly inside the host but in locations likely to harbour hosts. Aleochara first instars are mobile and need to find and select a host where they will develop. There is thus the possibility of behavioral adaptations to competition for both for adults and first instars. In this project, we have chosen to explore the ecological niche of these two species in an original way by studying behavioral changes induced by the presence of competitors both in adult females and first instars. We also studied bacterial communities associated to the two competing species but also those of their host D. radicum and of another competitor, the parasitoid wasp Trybliographa rapae, in order to later study the impacts of different bacterial partners in the ecological niche of the two beetle species in competition. Our results show that females of the specialist A. bilineata adapt their behavior to the competitors they face and select oviposition sites with the best probability of parasitism success. Moreover, first instars of A. bilineata dominate the larval competition when competing with larvae of the generalist A. bipustulata. Finally, bacterial communities of the two rove beetles are closer to each other than other members of the food web studied and their differences should be investigated. These results are discussed in the context of behavioral adaptation of specialists to the presence of generalist competitors and the coexistence of these two species in the field.

Les changements globaux sont aujourd’hui une réalité et les activités humaines à l’origine de ces bouleversements tendent à augmenter avec par exemple l’utilisation toujours plus importante de produits chimiques. Les pollutions résultantes peuvent alors avoir un fort impact sur les écosystèmes, en particulier ceux d’eaux douces de surface.Cette thèse a d’abord montré au travers d’un échantillonnage à haute fréquence d’une rivière typiquement méditerranéenne (la Têt), lors d’un évènement pluvieux intense caractéristique, que des phénomènes de multicontaminations ont lieu avec la présence dans les eaux naturelles de sels nutritifs, éléments trace métalliques, pesticides et produits pharmaceutiques entre autres. Ces phénomènes de contaminations multiples sont principalement liés aux débordements du réseau urbain d’évacuation des eaux qui ont lieu au travers des débordements de déversoirs d’orage. Cette étude a également montré, grâce à l’utilisation de la nouvelle technique de séquençage haut-débit MiSeq, que les changements dans les diversités structurelles des communautés bactériennes aquatiques de la matière en suspension évoluent principalement en fonction de l’hydrodynamique de la rivière, les plus fortes dissimilarités entre les communautés s’observant lors du pic de débit. Les paramètres physico-chimiques environnementaux ont également un impact majeur sur la structure des communautés, ce qui pourrait amener suite à l’exploration des taxons bactériens associés à une dynamique de contaminations caractéristiques, à la découverte de biomarqueurs spécifiques de ces phénomènes. / Global changes cannot be ignored nowadays and human activities causing these disruptions tend to increase with, for example, the growing use of chemicals. The resulting pollution can then have a strong impact on ecosystems, in particular those of fresh surface waters.This thesis first showed through a high-frequency sampling of a typically Mediterranean river (the Têt River), during a characteristic intense rainy event, that multicontaminations occur with the presence in natural waters of nutrients, trace metals, pesticides and pharmaceuticals among others. These multicontamination phenomena are mainly related to the overflows of the sewage system that take place through storm overflows. This study has also shown, through the use of the new MiSeq high-throughput sequencing technique, that changes in the structural diversities of aquatic bacterial communities of suspended matter evolve mainly according to the hydrodynamics of the river, the strongest dissimilarities between the communities being observed during peak flow. The physico-chemical environmental parameters also have a major impact on the structure of communities, which could lead to the exploration of bacterial taxa associated with a characteristic contaminations dynamic, to the discovery of specific biomarkers of these phenomena.

Les communautés bactériennes sont constituées d’un grand éventail d’espèces pouvant interagir entre elles dans des environnements spatialement hétérogènes tels que le sol, les plantes ou l'intestin humain. À quel point ces interactions stimulent ou entravent la diversité du microbiome demeure inconnu. Historiquement, deux hypothèses ont été proposées pour expliquer comment les interactions interespèces pourraient influencer la diversité. L’hypothèse ‘l’écologie contrôle’ (EC) prédit une relation négative, dans laquelle l'évolution ou la migration de nouvelles espèces est freinée à mesure que les niches se saturent. En revanche, l’hypothèse ‘la diversité engendre la diversité’ (DBD) prédit une relation positive, où la diversité existante favorise l'accumulation d'une plus grande diversité à travers des interactions telles que la construction de niche. De nombreuses études ont investigué ces modèles chez les vertébrés ou les plantes, et certaines les ont testés sur des bactéries en culture ; mais le modèle qui régit les communautés bactériennes naturelles demeure inconnu. En utilisant les données du gène ARN ribosomique 16S provenant d’un large éventail de microbiomes, j'ai montré une relation positive générale entre la diversité des taxons et la diversité des communautés de niveaux taxonomiques plus élevés. Cette observation est conforme à l’hypothèse du DBD, mais cette tendance positive plafonne à des niveaux élevés de diversité en raison des limites physiques de la niche. Ensuite, j'ai observé que le modèle DBD restait valide à une résolution plus fine, en analysant la variation génétique intra espèce dans les métagénomes des microbiomes intestinaux humains. Conformément au DBD, j'ai observé que le polymorphisme génétique ainsi que le nombre de souches intra espèces étaient positivement corrélés avec la diversité Shannon de la communauté. Dans le chapitre 3, j'ai examiné les interactions antagonistes entre V. cholerae et ses phages virulents et la manière dont ces interactions affectaient le cours de l’infection et la diversité génétique de V. cholerae chez les patients infectés. J'ai quantifié les abondances relatives de V. cholerae et des phages virulents associés dans plus de 300 métagénomes provenant de selles de patients atteints de choléra, tout en tenant compte de leur exposition aux antibiotiques. Les phages et les antibiotiques ont supprimé V. cholerae et ont été associés à une déshydratation légère chez les patients. J'ai également investigué les mécanismes de défense contre les phages dans V. cholerae et découvert que les éléments connus de résistance aux phages (integrative conjugative elements, ICEs) étaient associés à de faibles rapports phage: V. cholerae. J’ai pu montrer aussi que lorsque les ICEs ne sont pas détectés, la résistance aux phages semble être acquise par l’accumulation de mutations ponctuelles non synonymes. Mes résultats valident que les phages virulents sont un facteur qui protège contre le choléra tout en sélectionnant la résistance dans le génome de V. cholerae. / Bacterial communities harbor a broad range of species interacting within spatially heterogeneous environments such as soil, plants or the human gut. The extent to which these interactions drive or impede microbiome diversity is not well understood. Historically, two hypotheses have been suggested to explain how species interactions could influence diversity. The ‘Ecological Controls’ (EC) hypothesis predicts a negative relationship, where the evolution or migration of novel species is constrained as niches become filled. In contrast, the ‘Diversity Begets Diversity’ (DBD) hypothesis predicts a positive relationship, with existing diversity promoting the accumulation of further diversity via niche construction and other interactions. Many studies investigated these models in vertebrates or plants, some focused on cultured bacteria, but we still lack insights into how natural communities are assembled in the context of these two hypotheses. Using 16S RNA gene amplicon data across a broad range of microbiomes, I showed a general positive relationship between taxa diversity and community diversity at higher taxonomic levels, consistent with DBD. Due to niche’ limits, this positive trend plateaus at high levels of community diversity. Then, I found that DBD holds at a finer resolution by analyzing intra-species strain and nucleotide variation in sampled metagenomes from human gut microbiomes. Consistent with DBD, I observed that both intra-species polymorphism and strain number were positively correlated with community Shannon diversity. In Chapter 3, I investigated the antagonistic interactions between V. cholerae and its virulent phages and how these interactions affect the course of the infection and the within V. cholerae genetic diversity in natural infections. I quantified relative abundances of Vibrio cholerae (Vc) and associated phages in 300 metagenomes from cholera patients stool, while accounting for antibiotic exposure. Both phages and antibiotics suppressed V. cholerae and were inversely associated with severe dehydration. I also looked at V. cholerae phage-defense mechanisms and found that known phage-resistance elements (integrative conjugative elements, ICEs) were associated with lower phage:V. cholerae ratios. In the absence of detectable ICEs, phages selected for nonsynonymous point mutations in the V. cholerae genome. My findings validate that phages may protect against severe cholera while also selecting for resistance in the V. cholerae genome within infected patients.

Les cultures de Brassicacées sont très courantes en agriculture urbaine à Montréal. Elles comportent cependant leur lot de problèmes liés aux insectes ravageurs, tels que la piéride du chou, Pieris rapae. L’utilisation de méthodes de lutte classique contre les insectes ravageurs, tels les insecticides, engendrent de sérieux dommages environnementaux, incluant la contamination de l’eau et du sol ainsi que la toxicité pour les plantes environnantes, les insectes auxiliaires et les microorganismes du sol. Le compagnonnage végétal, une pratique agroécologique alternative, est connue en tant que stratégie d’IPM (lutte intégrée contre les insectes ravageurs). L'objectif général de l'étude était d'évaluer in situ l'importance de diverses méthodes de compagnonnage sur l'infestation de P. rapae au sein du chou chinois, Brassica rapa. Les plantes utilisées dans les systèmes de compagnonnage étaient des cultures-pièges (Eruca sativa et Brassica carinata), des plantes compagnes principales qui étaient des plantes insectaires et répulsives pour les insectes ravageurs (Tagetes erecta, Amaranthus cruentus et Ocimum grattissimum) ainsi que des plantes compagnes secondaires (Solanum aethiopicum, Ocimum basilicum et Hibiscus sabdariffa). Les paramètres de physiologie végétale ainsi que les structures des communautés microbiennes et d’insectes ont été suivis de près tout au long de la saison croissance où l’expérience a eu lieu. La taille des larves était significativement plus importante au sein de la monoculture (contrôle) et les taux de concentration de glucosinolates dans les feuilles de Brassica rapa étaient deux fois plus élevés dans les contrôles comparativement aux systèmes de cultures plus diversifiés. Une PERMANOVA a confirmé une différence significative entre les méthodes de cultures concernant la composition des communautés d’insectes bénéfiques. Les communautés bactériennes du sol ont été améliorées par l'agriculture durable par rapport au sol d'origine et ont été bonifiées dans les systèmes de compagnonnage végétal (plus diversifiés). L'étude a mis en évidence les avantages de l'agroécologie, y compris le compagnonnage végétal, en termes de lutte intégrée contre les insectes ravageurs et d'autres composantes de l'agroécosystème. / Brassica crops are very common culture for urban farmers in Montreal where insect pests like the cabbage whitefly, Pieris rapae, are a real concern. The use of conventional insect pest control methods, such as insecticides, causes serious damages to a highly anthropized and therefore already constrained environment. These include air, water and soil contamination, as well as toxicity to surrounding beneficial insects, soil microorganisms, plants and the entire food chain. Companion planting, an agroecological practice, is an alternative strategy for insect pest management. The general objective of the study was to evaluate in situ the relevance of various traditional methods of companion planting on infestation of Chinese cabbage, Brassica rapa, by P. rapae. The plants used in the companion systems were two trap crop species: Eruca sativa and Brassica carinata; Tagetes erecta, Amaranthus cruentus and Ocimum grattissimum were used like companion plants because of their properties as insectary plants and repellent species against the targeted pest; Solanum aethiopicum, Ocimum basilicum and Hibiscus sabdariffa were also considered (secondary) companion plant species. Plant physiological parameters as well as microbial and insect community structure were carefully monitored over the growing season where this experiment took place. Larval size was significantly greater in the monoculture and glucosinolate concentrations in leaves of Brassica rapa was two-times higher in control than in more diversified cultivation systems. With larger yield and the absence of pest in the field, ‘trap cropping system’ was overall the most efficient albeit the 'mix of companion planting’ system had the lowest leaf area damage. A PERMANOVA confirmed a significant difference between the cultivation methods regarding beneficial insect communities’ composition. Belowground, soil bacterial communities were readily modified by sustainable agriculture practice, even more so in biodiversified systems. The study highlighted benefits of agroecology, including companion planting, in terms of integrated pest management and other components of the agroecosystem.