Soil histories continue to structure the bacterial and oomycete communities of Brassicaceae host plants through time on the Canadian prairies

Abstract

Afin d’étudier l’écologie microbienne, il est nécessaire, dans un premier temps, de déterminer quels micro-organismes sont présents dans un milieu et à quel instant. Ces informations sont requises pour pouvoir ensuite développer des outils permettant de prédire l’assemblage des communautés et les fonctions que celles-ci peuvent contenir. Cependant, la multitude des processus entrant en jeu dans la structure et la composition des communautés microbiennes, rendent leur étude complexe. Parmi les nombreux processus à étudier, il est notamment question de l’échelle temporelle à prendre en compte pour comprendre l’assemblage des communautés microbiennes. En effet, les événements historiques conditionnent la composition et la biodiversité des futures communautés microbiennes. Pourtant, dans les sols, peu d’études se sont intéressées à l’impact des événements historiques dans l’assemblage des communautés microbiennes. Par conséquent, l’objectif de cette thèse était de quantifier comment les différentes histoires du sol ont influencé la structure et biodiversité des communautés bactériennes et oomycètes associées aux plantes hôtes des Brassicaceae à travers le temps. Les rotations de cultures de Brassicaceae sont de plus en plus courantes dans le monde et ont démontré des avantages pour les cultures concernées, telles que la rétention de l’humidité du sol ou la suppression de certains agents pathogènes des plantes. En revanche, l’impact des rotations de cultures de Brassicaceae sur la structure et biodiversité des communautés microbiennes résidentes est peu connu. Ainsi, des terrains agricoles des prairies canadiennes ayant des expériences de rotations de cultures en cours ont été utilisés pour modéliser l’impact des histoires de sol précédemment établies sur les futures communautés microbiennes. Les communautés microbiennes des racines, de la rhizosphère, et du sol éloigné des racines des Brassicaceae ont été étudiées grâce aux métabarcodes d’ARNr 16S ou ITS. La PCR quantitative et des méthodes phylogénétiques ont été utilisées pour améliorer l’analyse des communautés microbiennes. Cette thèse illustre comment différentes histories de sol établies par les cultures de l’année précédente ont continué à structurer les communautés microbiennes de la rhizosphère tout au long de la saison de croissance, à différents stades de croissance, jusqu’à un an après leur établissement. Cependant, le phénomène de rétroactions entre plantes et micro-organismes a permis de masquer cet héritage dans la rhizosphere de différentes espèces hôtes de Brassicacea pour lesquelles des communautés bactériennes phylogénétiquement similaires ont été retrouvées malgré diverses histoires du sol. Nos résultats montrent également que les différentes espèces hôtes de Brassicacea n’avaient pas d’impact sur la structure des communautés d’oomycètes et que le stress hydrique limitait également cette structuration pour les communautés bactériennes. Dans ces deux cas, l’effet de l’histoire du sol était donc encore visible sur la structure les communautés microbiennes durant l’année subséquente. Les découvertes selon lesquelles différentes histoires de sol persistent jusqu'à un an, même en présence de nouvelles plantes hôtes, et qu’elles peuvent continuer à façonner les communautés microbiennes ont des implications importantes pour la gestion agricole et les recherches futures sur les composants physiques de l'histoire du sol. Comprendre comment l'histoire du sol est impliquée dans la structure et la biodiversité des communautés microbiennes à travers le temps est une limitation de l'écologie microbienne et est nécessaire pour utiliser les technologies microbiennes à l'avenir pour une agriculture durable et dans toute la société.

A fundamental task of microbial ecology is determining which organisms are present, and when, in order to improve the predictive models of community assembly and functions. However, the heterogeneity of community assembly processes that underlie how microbial communities are formed and structured are makes assembly of taxonomic and functional profiles difficult. One reason for this challenge is the compounding effect temporal scales have on microbial communities. For example, historical events have been shown to condition future microbial community composition and biodiversity. Yet, how historical events structure microbial communities in the soil has not been well tested. Therefore, the objective of this thesis was to quantify how different soil histories influenced the structure and biodiversity of bacterial and oomycete communities associated with Brassicaceae host plants through time. Brassicaceae crop rotations are increasingly common globally, and have demonstrated benefits for the crops involved, such as retaining soil moisture, or suppressing certain plant pathogens. In contrast, there is a lack of knowledge surrounding how Brassicaceae crop rotations impact the structure and biodiversity of resident microbial communities. As such, on-going agricultural field experiments with crop rotations on the Canadian prairies were used to model how previously established soil histories impacted future microbial communities. The Brassicaceae microbial communities were inferred from the roots, rhizosphere and bulk soil using 16S rRNA or ITS metabarcodes. Quantitative PCR and phylogenetic methods were used to improve the analysis of the microbial communities. This thesis illustrates how different soil histories established by the previous year’s crops continued to structure the microbial rhizosphere communities throughout the growing season, at various growth stages, and up to a year after being established. However, active plant-soil microbial feedback allowed different Brassicaceae host species to mask the soil history in the rhizosphere and derive phylogenetically similar bacterial communities from these diverse soil histories. Furthermore, host plants were unable to structure the oomycete communities, and lost the ability to structure the bacterial rhizosphere communities under water stress. In both circumstances, the soil history continued to structure the microbial communities. The findings that different soil histories persist for up to a year, even in the presence of new host plants, and can continue to shape microbial communities has important implications for agricultural management and future research on the physical components of soil history. Understanding how soil history is involved in the structure and biodiversity of microbial communities through time is a limitation in microbial ecology and is required for employing microbial technologies in the future for sustainable agriculture and throughout society.