Thèse Diversité Structure et Rôles Fonctionnels des Microorganismes des Canopées de Forêts Tropicales H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : CRBE - Centre de Recherche sur la Biodiversité et l'Environnement
Direction de la thèse : Celine LEROY ORCID 0000000348598040
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Les forêts tropicales, parmi les écosystèmes les plus riches de la planète, assurent des fonctions écologiques majeures - productivité, régulation des cycles hydrologiques, du carbone et de l'azote. Cette fonctionnalité dépend autant de la diversité du sol que de la complexité de la canopée, qui abrite une faune, une flore et un microbiote particulièrement diversifiés. Les épiphytes vasculaires et non vasculaires y créent des microhabitats favorables à une multitude de bactéries, champignons et protistes jouant un rôle clé dans les cycles biogéochimiques, notamment celui de l'azote. Alors que la majorité des recherches portent sur les microbiotes du sol et des racines, la phyllosphère des forêts tropicales reste très peu étudiée. Ces communautés sont façonnées par des processus à la fois stochastiques (dispersion aléatoire) et déterministes (sélection environnementale et influence de l'hôte). Dans la canopée, la rareté de l'azote d'origine pédologique accentue l'importance des microorganismes diazotrophes, capables de fixer le N atmosphérique, mais leur diversité et leurs fonctions demeurent mal connues.
Cette thèse vise à caractériser les communautés microbiennes des canopées tropicales, à identifier les facteurs qui structurent leur assemblage et à évaluer leur contribution au cycle de l'azote et à la résilience écosystémique. Les principaux objectifs sont de (1) décrire la diversité taxonomique et fonctionnelle des microorganismes de la canopée, (2) quantifier la contribution des différents compartiments (épiphytes, feuilles, écorces, sols suspendus) au cycle de l'azote, et (3) analyser l'effet des perturbations environnementales telles que la sécheresse ou la déforestation.
Les travaux s'inscrivent dans un programme interdisciplinaire mené en Guyane française. La diversité microbienne sera explorée par métabarcoding et analyses bioinformatiques. Les variables environnementales et les traits fonctionnels des plantes serviront de prédicteurs dans des analyses multivariées destinées à distinguer les effets du milieu et de l'hôte. Les processus de fixation et de dénitrification de l'azote seront mesurés pour estimer les flux de nutriments au sein de la canopée. En parallèle, les microécosystèmes aquatiques des broméliacées seront utilisés comme modèles naturels pour tester la réponse des communautés microbiennes aux perturbations. Ce cadre intégratif permettra de relier diversité microbienne, réseau trophique et fonctionnement biogéochimique.
En apportant une compréhension inédite du microbiote de la canopée et de son rôle fonctionnel, cette thèse contribuera à mieux intégrer les processus microbiens aériens dans les modèles globaux des cycles de nutriments. Elle mettra en lumière l'importance des interactions plantemicrobe dans la stabilité et la résilience des forêts tropicales face au changement global.

Tropical forests are among the most biodiverse terrestrial ecosystems on Earth. They harbour over half of all known plant and animal species, yet cover only about 12% of the planet's land surface (Antonelli et al., 2018). Beyond biodiversity, these ecosystems also play a fundamental role in maintaining global ecosystem services, such as high primary productivity, regulation of global hydrological cycles, carbon and nitrogen cycling (Beer et al., 2010; Pan et al., 2011; Spracklen et al., 2012). This functionality is driven not only by the diversity of the forest floor but also by the complexity of the canopy. Tropical forest canopies form a complex matrix of leaves and branches whose structural complexity is further enhanced by the presence of vascular (e.g. orchids, bromeliads) and non-vascular (e.g. bryophytes, lichens) epiphytes. The canopy thus represents one of the largest surfaces of the phyllosphere colonised by a great diversity of metazoans and microorganisms, including bacteria, fungi, protists (Vacher et al., 2016). Together, these organisms constitute a dynamic food web that likely plays a major role in plant health and ecosystem functioning through nutrient cycling.
Understanding the factors that shape the diversity and composition of plant-associated microbiota has become a central research topic over the past decade (Simon et al., 2019; Kohl, 2020). However, most studies have focused on soil and root-associated microorganisms. In contrast, the microbial communities inhabiting the phyllosphere (i.e. the aboveground plant parts, and particularly the surface and internal tissues of leaves, Vorholt, 2012) remain comparatively underexplored, often restricted to a few model or crop species (Sohrabi et al., 2023). As in other microbial ecosystems, stochastic and deterministic processes jointly govern these communities, but in plant-associated microbiota, these dynamics are further influenced by host ecological traits, thus adding an additional layer of complexity. Determining the extend to which the plant host have deterministic effects and contribute to microbial community composition and assembly patterns is essential to disentangle host-driven selection from environmentally driven processes.
In tropical canopies, plants and their associated microbiota have limited access to soil-derived nitrogen and may depend on biological N fixation to meet their nutritional requirements (proteins, nucleic acids). This process can substantially enhance the mineral nutrition of epiphytic plants (Hietz et al., 2002). Nevertheless, comprehensive knowledge about the identity, ecology, and functional roles of canopy microorganisms (including both diazotrophic and denitrifying taxa) remains scarce (Nakamura et al., 2017). Understanding these microbial communities is therefore essential to elucidate canopy-level contributions to nutrient cycles and their potential responses to environmental change.

This thesis aims to characterise microbial communities within tropical forest canopies, to identify the deterministic and stochastic factors shaping these communities, and to assess their functional contribution to host plant health and ecosystem functioning in the context of global change.
This project will address three specific objectives:
(1) What are the diversity and community structure of canopy-associated microorganisms, including N-fixing and denitrifying taxa, present in tropical tree canopies?
(2) How do different canopy components and their associated microbiota contribute to nitrogen cycling?
(3) How do environmental perturbations affect microbial communities and their functional roles in ecosystem processes?

This PhD project is part of an interdisciplinary and collaborative program that aims to discover and characterize the microbial communities in tropical forests and to unravel the ecological underlying their assembly and functioning. Some datasets have already been obtained in ongoing projects, and additional data will be collected to further address the project's objectives. Consequently, the PhD work carries minimal risk, as existing data can be exploited for scientific publications, while the PhD student will also have the opportunity to develop original questions and approaches within the scope of the PhD project.
All previous and forthcoming field campaigns are or will be conducted in French Guiana, a biodiversity hotspot offering exceptional opportunities for research in the tropical forest canopy. The PhD will focus on multiple canopy components, including vascular and nonvascular epiphytic plants with contrasting morphological and physiological adaptations, canopy soil, tree bark, and leaves. Field and experimental approaches will be implemented to meet the scientific objectives and to link microbial diversity with ecosystem processes.
The PhD student will use DNA metabarcoding to characterize microbial communities with the different canopy components. Bioinformatics analyses will be mainly performed using the OBITools and the metabaR packages. Environmental variables (temperature, light, relative humidity) and plant traits (root and leaf characteristics) will be measured and considered as explanatory variables. Multivariate statistical analyses will be applied to infer the drivers and assembly processes of microbial communities and to identify key taxa and functions.
Nitrogen fixation and denitrification will be quantified across the different canopy components to clarify their relative contribution to nitrogen inputs and outputs in the forest ecosystem. To assess the impacts of perturbations such as deforestation and drought on microbial diversity and ecosystem functioning, the project will exploit a natural microecosystem: the microbial-faunal food web inhabiting the rainwaterfilled leaves of tank bromeliads. This integrative framework will provide a unique opportunity to link microbial community structure, environmental change, and biogeochemical cycles in tropical forest canopies.

Ce projet s'inscrit dans les disciplines scientifiques liées aux domaines de l'écologie microbienne, de l'écologie moléculaire et de la biogéochimie. Au cours de son parcours académique et de ses stages, le/la candidat.e doit démontrer un intérêt et une expérience dans ces principaux axes de recherche. Idéalement, il doit posséder des compétences dans un ou plusieurs de ces domaines : extraction d'ADN, PCR, métabarcoding, bioinformatique, biostatistiques avancées et mesures de traits des plantes et des flux. Cependant, certaines de ces compétences peuvent être acquises auprès des collaborateurs du projet. Des compétences techniques avancées en R sont indispensables pour la réalisation d'analyses exploratoires et statistiques. Le/la candidat.e devrait également avoir des capacités d'analyse et de rédaction, des capacités à travailler en équipe multidisciplinaire et de façon autonome.