Thèse Clim-Eat - Impacts du Climat sur les Réseaux Microbiens des Sols de Tourbières H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SEVAB - Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingenieries Laboratoire de recherche : CRBE - Centre de Recherche sur la Biodiversité et l'Environnement Direction de la thèse : Lucie ZINGER ORCID 0000000234005825 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 Les tourbières ne couvrent qu'environ 3 % de la surface terrestre mais stockent près de 30 % du carbone des sols à l'échelle mondiale. Elles jouent ainsi un rôle majeur dans la régulation du climat global (Nichols & Peteet 2019; Yu et al. 2010). Cependant, le changement climatique, notamment via l'augmentation des températures, la réduction de l'enneigement et l'intensification des sécheresses, pourrait transformer ces écosystèmes en sources nettes de carbone en stimulant l'activité microbienne et les émissions de gaz à effet de serre (Garisoain et al. 2024; Hopple et al. 2020; Juottonen et al. 2022). Le fonctionnement biogéochimique des tourbières dépend étroitement des interactions entre les sphaignes, espèces ingénieures de ces milieux, et les communautés microbiennes du sol. Ces microorganismes, incluant bactéries, champignons, protistes et micrométazoaires, forment des réseaux trophiques complexes qui régulent la décomposition de la matière organique et les flux de carbone (Jassey et al. 2013, 2023). Pourtant, malgré leur importance écologique, les relations entre la structure des réseaux trophiques microbiens, les fonctions biogéochimiques et la réponse des tourbières au changement climatique restent encore mal comprises (Eisenhauer et al. 2026). Cette thèse vise à comprendre comment les perturbations climatiques modifient l'organisation des réseaux trophiques microbiens des tourbières et comment ces changements influencent le cycle du carbone et la réponse fonctionnelle des sphaignes. Pour cela, le projet adoptera une approche intégrative combinant données issues d'expérimentations de terrain, analyses de biodiversité microbienne par ADN environnemental, reconstruction de réseaux trophiques et expérimentations contrôlées. Les résultats permettront d'identifier les configurations de réseaux associées à la résilience ou à la vulnérabilité des tourbières face aux perturbations climatiques. À terme, le projet contribuera au développement d'indicateurs multitrophiques intégrateurs permettant d'évaluer la santé, la vulnérabilité et la résilience fonctionnelle des sols de tourbières. Ces indicateurs pourront servir d'outils scientifiques pour le suivi et la gestion de ces écosystèmes dans un contexte de changement climatique. Malgré les avancées récentes en écologie des sols, les relations causales entre biodiversité du sol, organisation des réseaux trophiques et fonctionnement des écosystèmes restent encore insuffisamment comprises (Eisenhauer et al. 2026). Cette lacune limite la capacité à prédire la réponse des écosystèmes aux changements globaux et à intégrer pleinement la biodiversité du sol dans les stratégies de gestion environnementale. Cette problématique est particulièrement critique dans les tourbières, qui représentent l'un des plus grands réservoirs de carbone terrestre. Ces écosystèmes humides couvrent seulement environ 3 % de la surface terrestre mais stockent près de 500 à 1000 Gt de carbone dans leurs sols (Nichols & Peteet 2019; Yu et al. 2010). Leur capacité à accumuler de la matière organique repose largement sur les sphaignes, plantes ingénieures capables de modifier les conditions physico-chimiques du sol telle que : l'humidité, le pH et la disponibilité en nutriments ; et de ralentir la décomposition de la matière organique (Rydin et al. 2006). Ces mousses interagissent étroitement avec les communautés microbiennes associées, formant des systèmes biologiques complexes qui régulent les flux de carbone dans les tourbières (Jassey et al. 2013).
Ces communautés microbiennes, incluant bactéries, champignons, protistes et micrométazoaires, contrôlent de nombreux processus biogéochimiques tels que la décomposition de la matière organique, la respiration microbienne ou la production de méthane. Pourtant, la majorité des études ont jusqu'à présent abordé ces communautés à travers des approches principalement descriptives, en se concentrant sur les variations de composition, de diversité ou d'abondance des grands groupes taxonomiques. Cette approche repose sur une vision relativement simplifiée du fonctionnement des sols, dans laquelle les microorganismes sont considérés comme des entités indépendantes ou regroupées en grandes catégories fonctionnelles, sans prise en compte explicite de leurs interactions écologiques (Jassey et al. 2015). Or, les processus écosystémiques résultent non seulement de la présence des organismes, mais aussi des interactions trophiques qu'ils entretiennent et de la circulation de l'énergie et de la matière au sein des communautés.
Les approches récentes en écologie des sols proposent ainsi de dépasser cette vision simplifiée en intégrant explicitement les réseaux trophiques microbiens et les flux d'énergie dans l'analyse du fonctionnement des écosystèmes (Eisenhauer et al. 2026; Jassey et al. 2023; de Vries et al. 2013). Ces approches permettent de mieux comprendre comment la structure des interactions biologiques influence les fonctions écosystémiques et la réponse des sols aux perturbations environnementales, notamment dans des systèmes sensibles au changement climatique comme les tourbières. Le projet vise à comprendre comment les perturbations climatiques modifient la structure et le fonctionnement des réseaux trophiques microbiens des tourbières, et comment ces changements influencent les processus biogéochimiques du carbone ainsi que la réponse fonctionnelle des sphaignes.
Plus précisément, trois objectifs scientifiques structurent la thèse.
(i) Caractériser les effets du changement climatique sur la structure des réseaux trophiques microbiens.
L'objectif est d'identifier comment différents forçages climatiques, tels que le réchauffement ou la sécheresse, modifient l'organisation des communautés microbiennes et leurs interactions trophiques. Les réseaux seront reconstruits à partir de données de biodiversité microbienne et analysés à l'aide de métriques topologiques afin d'évaluer leur structure, leur stabilité et leur sensibilité aux perturbations.
(ii) Relier l'organisation des réseaux trophiques microbiens aux fonctions biogéochimiques du sol.
Cet objectif vise à déterminer comment certaines configurations de réseaux influencent des processus écologiques clés tels que la décomposition de la matière organique, l'activité enzymatique du sol ou les flux de carbone (CO et CH). Ces analyses permettront d'identifier les propriétés de réseaux associées à une forte capacité de stockage du carbone ou, au contraire, à une intensification de la minéralisation.
(iii) Évaluer l'influence des réseaux microbiens sur les traits fonctionnels des sphaignes.
Des expérimentations en conditions contrôlées permettront d'étudier comment des communautés microbiennes présentant des structures trophiques contrastées modulent les réponses écophysiologiques des sphaignes face aux stress climatiques. Ces expériences permettront de mieux comprendre les interactions entre microbiome et plantes ingénieures dans la résilience des tourbières. Méthode : Le projet adopte une approche intégrative et multi-échelles, combinant l'exploitation de données issues d'expérimentations de terrain et en conditions contrôlées, ainsi que des outils analytiques et de modélisation innovante. La méthodologie est structurée autour des trois axes scientifiques de la thèse
(i) Caractériser les effets du changement climatique sur la structure des réseaux trophiques microbiens.
Cet axe vise à déterminer comment différents forçages climatiques (réchauffement, sécheresse, perte de couverture neigeuse) reconfigurent la structure des réseaux trophiques microbiens des sols tourbeux. Les données exploitées proviennent des projets PEATWARM, MIXOPEAT, MICE, ainsi que des initiatives CLIMPEAT et SNOWMAN, incluant :
La composition taxonomique des communautés microbiennes (bactéries, champignons, protistes, rotifères, nématodes) obtenue par microscopie et/ou métabarcoding ;
Les fonctions microbiennes, telles que la photosynthèse, la respiration, la décomposition de la matière organique et l'activité des principales enzymes impliquées dans le cycle du carbone, de l'azote et du phosphore ;
Des variables écosystémiques (productivité primaire, respiration globale) et climatiques (température de l'air et du sol, précipitations).
Les réseaux trophiques microbiens des sols tourbeux seront reconstruits à partir des données d'occurrence, d'abondance et de biomasse des microorganismes. La reconstruction reposera sur une combinaison d'approches fondées sur les traits fonctionnels des organismes (taille, mode trophique, etc.), la taxonomie et des méthodes de machine learning permettant d'inférer les interactions trophiques probables (Barel et al. 2023). Les réseaux obtenus seront caractérisés par leurs propriétés topologiques (connectance, modularité, degré moyen, distribution des flux d'énergie), permettant d'évaluer l'effet des forçages climatiques sur l'organisation, la stabilité et la sensibilité des réseaux.
(ii) Relier l'organisation des réseaux trophiques microbiens aux fonctions biogéochimiques du sol.
L'objectif de cet axe est de relier la structure des réseaux microbiens aux processus biogéochimiques clés des tourbières, tels que la décomposition de la matière organique, les flux de CO et CH, et l'activité enzymatique du sol. Les analyses consisteront à intégrer les paramètres topologiques (e.g. connectance, degré moyen, modularité) et les flux d'énergie des réseaux reconstruits dans l'axe 1 ; identifier les configurations de réseaux associées à une forte capacité de stockage du carbone ou à une intensification de la minéralisation ; développer des indicateurs multitrophiques intégrateurs combinant informations structurelles et fonctionnelles, utilisables pour le suivi et la gestion des tourbières. Une attention particulière sera portée au « microbial loop » et au rôle des interactions trophiques dans le recyclage et la redistribution de l'énergie et de la matière au sein des sols.
La construction des indicateurs multitrophiques reposera sur une approche en plusieurs étapes :
Sélection des variables candidates : paramètres topologiques des réseaux (connectance, modularité, centralité, redondance fonctionnelle, distribution des flux d'énergie) et variables fonctionnelles du sol (respiration, émissions de CO et CH, activités enzymatiques, productivité primaire).
Réduction de dimension et identification des variables structurantes à l'aide d'analyses multivariées (ACP, analyses de co-inertie) et de modèles mixtes hiérarchiques permettant d'intégrer les effets des forçages climatiques.
Construction d'un indice synthétique par standardisation des variables.
Validation et robustesse : validation croisée sur jeux de données indépendants (PEATWARM, MIXOPEAT, MICE, CLIMPEAT, SNOWMAN), analyse de sensibilité et test de capacité prédictive vis-à-vis des fonctions biogéochimiques et des réponses des sphaignes (Axe 3).
(iii) Évaluer l'influence des réseaux microbiens sur les traits fonctionnels des sphaignes.
Cet axe repose sur des expérimentations en conditions contrôlées, menées au phytotron du CRBE, afin d'évaluer comment des réseaux microbiens contrastés modulent la réponse fonctionnelle des sphaignes face aux perturbations climatiques. Des sphaignes stériles seront inoculées avec des communautés microbiennes présentant des topologies de réseaux contrastées, issues de gradients d'acclimatation climatique (transplantation réciproque - MIXOPEAT project, (Hamard et al. 2025). Ces assemblages seront soumis à différents scénarios de stress climatique, incluant variations de température et de disponibilité en eau (Han et al. 2023). Les réponses des sphaignes seront évaluées via des traits écophysiologiques et métaboliques (croissance, biomasse, photosynthèse, production de métabolites secondaires), en lien avec la structure des réseaux microbiens et les processus biogéochimiques associés (Sytiuk et al. 2023). Les indicateurs multitrophiques développés dans l'axe 2 seront mobilisés pour tester leur sensibilité et robustesse face aux variations des réseaux microbiens et aux stress climatiques, permettant d'identifier les mécanismes sous-jacents à la santé, la vulnérabilité et la résilience des tourbières.

Ce projet s'inscrit dans les disciplines scientifiques liées aux domaines de l'écologie microbienne, de la biogéochimie et de la modélisation. Au cours de son parcours universitaire et de ses stages, le candidat doit démontrer son intérêt et son expérience dans ces principaux domaines de recherche. Idéalement, le candidat devrait posséder des compétences dans un ou plusieurs de ces domaines : le métabarcoding, la bio-informatique et la biostatistique avancée (par exemple, l'apprentissage automatique). Toutefois, certaines de ces compétences peuvent être acquises auprès des collaborateurs du projet. Des compétences techniques avancées en R sont indispensables. Un bon niveau d'anglais (écrit et parlé) est une compétence nécessaire pour que le candidat puisse mener à bien cette thèse.