Evolution, connectivity, and resilience in deep-sea chemosynthetic-based ecosystems

Abstract

La machinerie pour l’exploitation des ressources minérales qui se trouvent au fond des océans est déjà opérationnelle et la délivrance de permis miniers est imminente malgré d’inquiétantes lacunes de connaissances sur ces écosystèmes. En effet, dans une optique de sauvegarde, il est particulièrement important de mieux connaître les processus clés de l’écologie des profondeurs. Quelles sont les conséquences évolutives de la symbiose si répandue dans les écosystèmes profonds? Comment les sources hydrothermales sont-elles connectées? Quelles adaptations permettent la résilience des espèces endémiques de ces milieux? Dans le Pacifique est, la faune hydrothermale est caractérisée par de denses populations de palourdes de la famille Vesicomyidae et de vers polychètes tubicoles qui servent de niche à une multitude d'autres espèces. Ces deux groupes d'invertébrés dépendent pour leur nutrition de bactéries symbiotiques chimiolithotrophes. Celles-ci sont directement transmises de génération en génération chez les palourdes, et acquises de novo à partir de sources environnementales chez les vers. De plus, les vers possèdent une grande plasticité phénotypique associée aux conditions environnementales très variées (en terme de température, d’oxygène et de concentration de minéraux) dans lesquelles ils se retrouvent. Du fait du contraste dans leurs mode de transmission des symbiotes, de leur distribution étendue, et de leur rôle écologique important, ces deux groupes taxonomiques sont un excellent modèle pour étudier l’évolution, la connectivité et la résilience dans les écosystèmes marins profonds basés sur la chimiosynthèse. Ainsi, les objectifs de ma thèse sont de 1) déterminer les conséquences du mode de transmission des symbiotes sur leur évolution, 2) comparer la connectivité inter-sources entre les populations d’hôtes et de symbiotes, et 3) caractériser la méthylation de l'ADN chez les polychètes des sources hydrothermales et déterminer si ce mécanisme épigénétique joue un rôle adaptatif important. Ces objectifs sont abordés dans trois études indépendantes qui révèlent que 1) des processus à la fois neutres et sélectifs façonnent les génomes des symbiotes bactériens, 2) les populations de symbiotes bactériens dans les cheminées hydrothermales ne sont pas panmictiques mais sont influencées par des modèles locaux de connectivité, et 3) la méthylation de l'ADN est un mécanisme important d'adaptation dans les grands fonds marins. Ultimement, ces études permettent d'établir des lignes directrices en matière de conservation pour les opérations minières, et aident à l’établissement d’aires marines protégées. The mining industry is ready to exploit the mineral resources lying on the seafloor and the issuing of mining permits is imminent despite concerning knowledge gaps about the key evolutionary and ecological processes at play in these ecosystems. What are the evolutionary consequences of symbioses which are ubiquitous in deep-sea benthic ecosystems? How are chemosynthetic-based ecosystems connected? What kind of adaptations enable the resilience of vent endemic species to their extreme environment? In the eastern Pacific, chemosynthetic-based communities are characterized by dense aggregations of vesicomyid clams (in hydrocarbon seeps) or tubeworms (in hydrothermal vents) both of which offer habitat for many other species. Both invertebrates rely on chemolithotrophic bacteria for their nutrition. In the clams these symbionts are transmitted directly to the next generation through the eggs whereas in the tubeworms the symbionts are acquired de novo from the environment. The tubeworms also display striking phenotypic plasticity according to the physico-chemical conditions of their habitat. Because of their contrasting symbiont transmission mode, extended distribution, and ecological significance, these two taxonomic groups constitute an excellent model to study evolution, connectivity, and resilience in deep-sea chemosynthetic-based ecosystems. Thus, the objective of my thesis are to 1) identify the consequences of symbiont transmission mode on their evolution, 2) compare host and symbiont populations connectivity, and 3) characterize DNA methylation in deep-sea polychaetes and assess whether this epigenetic mechanism could explain their resilience. These objectives were addressed in three independent studies which revealed that 1) both neutral and selective processes participate in shaping the genomes of bacterial symbionts, 2) the populations of bacterial symbionts in hydrothermal vents are not panmictic but are influenced by local patterns of connectivity, and 3) DNA methylation is an important mechanism of adaptation in the deep-sea. Ultimately, these studies provide conservation guidelines for mining operations and help with the establishment of marine protected areas.