Thèse Génomique Quantitative et Fonctionnelle du Plancton Marin à l'Échelle Globale pour la Modélisation du Climat H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health
École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Laboratoire de recherche : Génomique métabolique - DRF/JACOB/Génoscope
Direction de la thèse : Olivier JAILLON ORCID 0000000272379596
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Les modèles biogéochimiques du système Terre visent notamment à représenter le rôle du vivant océanique dans la régulation du climat, mais restent limités par une description encore trop simplifiée des fonctions biologiques du plancton. Une voie majeure d'amélioration repose sur l'exploitation et l'intégration de descripteurs biologiques quantitatifs, à la résolution génomique aujourd'hui accessible, compatibles avec les unités et les échelles spatiales de ces modèles.

Les données de génomique environnementale ont profondément renouvelé la description de la biodiversité planctonique à l'échelle globale. Toutefois, leur nature fondamentalement compositionnelle (abondances relatives soumises à une contrainte de somme) limite leur interprétation quantitative et freine leur intégration directe dans les modèles biogéochimiques.

Pour contribuer à lever ce verrou, nous avons récemment développé un cadre méthodologique quantitatif, actuellement en cours de publication (Crédeville et al., bioRxiv 2025 ; https://doi.org/10.1101/2025.10.25.684415). Cette méthode permet de transformer des données génomiques de composition du plancton marin en concentrations cellulaires ou massiques, exprimées dans des unités compatibles avec les modèles biogéochimiques.

Le sujet de thèse proposé vise à étendre cette approche à l'expression des gènes afin, d'une part, de quantifier des fonctions biologiques clés liées aux cycles biogéochimiques et d'intégrer la dynamique fonctionnelle des organismes, et, d'autre part, d'exploiter conjointement le polymorphisme génomique et les profils d'expression pour développer de nouvelles approches d'identification des signatures d'adaptation évolutive et d'acclimatation physiologique aux variations environnementales. Ces mécanismes sont au coeur de la capacité des communautés planctoniques à répondre aux changements climatiques en cours et conditionnent leur résilience ou, au contraire, leur vulnérabilité à long terme.

Le travail portera en particulier sur des gènes et voies fonctionnelles clés du phytoplancton impliqués dans les grands processus biogéochimiques et climatiques biogéchimiques (Moran et al. ; Nature Microbiology ; doi: 10.1038/s41564-022-01090-3 ) . L'analyse conjointe des variations génétiques et de l'expression génique permettra d'aborder, à grande échelle, la manière dont les communautés planctoniques se structurent et répondent aux gradients environnementaux et aux forçages climatiques, et de produire des descripteurs biologiques quantitatifs directement exploitables pour l'intégration des notions de résilience et de vulnérabilité dans les modèles prédictifs du système Terre.

Le projet exploitera des prélèvements marins à l'échelle mondiale issus de grandes expéditions océanographiques, telles que celles de la goélette Tara ( fondationtaraocean.org) , afin d'analyser comment l'expression quantitative de fonctions biologiques clés du plancton se structure dans l'espace et contribue aux processus biogéochimiques dans un cadre de seascape global.

Ce sujet s'inscrit dans la continuité des travaux de seascape genomics menés au laboratoire. Il aborde la biogéographie du plancton à l'échelle mondiale en analysant ses liens avec la circulation océanique, les gradients physico-chimiques et les contraintes environnementales. Ces questions sont traitées à travers des approches de génomique comparative et évolutive, couplées à des modélisations. Une part importante du projet reposera sur le développement et l'application de méthodes de modélisation statistique et d'apprentissage automatique (machine learning) pour relier génomes, fonctions, environnement et processus biogéochimiques.
Enfin, le travail combinera analyses numériques, intégration de données multi-sources et, si nécessaire, validation expérimentale, en interaction avec des laboratoires de biologie moléculaire, d'écologie, d'océanographie, d'imagerie et de modélisation biogéochimique et climatique.

Les modèles biogéochimiques du système Terre sont des outils centraux pour l'étude et la prédiction du rôle de l'océan dans la régulation du climat. Si les processus physiques et chimiques y sont bien décrits, la représentation du vivant océanique, et en particulier du plancton, est très simplifiée, ce qui limite la prise en compte explicite de la diversité biologique, des fonctions écologiques et des capacités de réponse des communautés face aux changements environnementaux. Au final, de nombreuses prédictions ne sont aujourd'hui pas réalisables.

Le laboratoire développe depuis plusieurs années des approches de biogéographie génomique à grande échelle, dans le cadre conceptuel du seascape genomics, visant à relier la distribution et la dynamique des communautés planctoniques à la circulation océanique, aux gradients physico-chimiques et aux contraintes environnementales. Ces travaux s'appuient sur des approches de génomique comparative et évolutive, couplées à des cadres de modélisation intégrative, incluant des méthodes statistiques avancées et d'apprentissage automatique.

Dans ce contexte, le sujet de thèse proposé s'inscrit dans un enjeu scientifique majeur : tirer pleinement parti de la richesse des données génomiques et transcriptomiques désormais disponibles pour produire des descripteurs biologiques exploitables pour améliorer des modèles prédictifs. Le projet bénéficie d'un accès privilégié à des jeux de données de très grande ampleur, déjà acquis et en cours d'acquisition, issus notamment des expéditions Tara Oceans.

Le sujet s'inscrit dans des approches innovantes à l'interface entre génomique environnementale, écologie marine et modélisation du système Terre, et positionne la thèse au coeur des enjeux actuels de compréhension et de prédiction du fonctionnement des écosystèmes océaniques dans un contexte de changement climatique.

- Quantifier l'expression de fonctions biologiques clés du plancton marin à partir de données transcriptomiques environnementales, afin de dépasser les approches purement relatives et de produire des descripteurs biologiques quantitatifs compatibles avec les unités et les échelles des modèles biogéochimiques et climatiques.

- Améliorer la détection et la caractérisation de signatures d'adaptation évolutive et d'acclimatation physiologique en mettant à profit la quantification à grande échelle des polymorphismes génomiques et des profils d'expression génique.

- Caractériser la structuration spatiale de ces fonctions et signatures à l'échelle globale dans un cadre de seascape genomics, en lien avec la circulation océanique et les gradients environnementaux.

- Intégrer ces descripteurs dans des approches de modélisation statistique et d'apprentissage automatique afin d'améliorer la représentation de la résilience et de la vulnérabilité du plancton face au changement climatique dans les modèles prédictifs du système Terre.