Édité le 10 avril 2022 ​par Marie-Christine Lafrenière et Maëva Perez.

Questions-Réponses avec ​​Naíla Barbosa Da Costa

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FR : Naíla Barbosa da Costa qui tiens un plateau d'agar qui contient des bactéries isolées expérimentalement d'étangs d'eaux douces. EN : Naíla Barbosa da Costa holding an agar plate containing bacteria isolated from experimental freshwater ponds © Johnnatan Nascimento  
Naíla est une écologiste qui a quitté sa terre natale du Brésil pour poursuivre un doctorat à l’Université de Montréal afin de mieux comprendre comment les microorganismes des milieux aquatiques font face à la contamination des eaux par les pesticides couramment utilisés en agriculture. C’est dans l’ADN des bactéries qu’elle trouve les réponses à ses questions.

 
Voir la vidéo de présentation de Naíla ici.
Consultez son site web professionnel ici.
Lien vers son article publié dans mSystems ici.
Qu'est-ce qui a motivé cet étude?

Les herbicides à base de glyphosate sont couramment utilisés à travers le monde entier depuis le développement de cultures génétiquement modifiées dans les années 90. On a introduit un gène d’origine bactérienne dans certaines plantes, soit principalement le soja et le maïs, qui leur confère une résistance au glyphosate. Dans les pays où l’utilisation du glyphosate est peu régulée, comme les États-Unis, le Brésil et l’Argentine, les concentrations de résidus de glyphosate dans les milieux aquatiques sont très élevées.  De plus, parce qu'elles ont aussi le gène ciblé par le glyphosate, les bactéries, ces membres clés des communautés d'eaux douces, pourraient être affectées négativement par les résidus de cet herbicide utilisés en agriculture et pour le contrôle des mauvaises herbes, et ce, même si elles sont loin d'être la cible principale.

Dans une communauté composée de bactéries naturellement sensibles ou non au glyphosate, on s’attend à ce que seul les bactéries résistantes survivent à la contamination du milieu par l’herbicide. Mais étonnement, il a été observé que certaines bactéries sensibles au glyphosate étaient quand même capable de tolérer cet herbicide on ne sait pas pourquoi. D’autre part, des expériences de laboratoire ont montré que la résistance aux antibiotiques est plus grande dans les souches bactériennes exposées aux herbicides à base de glyphosate. Est-ce que ces deux phénomènes sont liés?
 
La sélection croisée est un mécanisme qui pourrait permettre aux bactéries possédant des gènes de résistance aux antibiotiques de survivre au glyphosate. La sélection croisée est possible lorsqu'un composé létal favorise la sélection de plusieurs gènes non nécessairement liés. Ces gènes ont le potentiel de conférer une résistance au composé cible mais aussi à plusieurs autres contaminants.

Dans cette étude, j’ai voulu savoir si la sélection croisée de gènes ''antibiotiques'' pouvait être observée dans une communauté de bactérioplancton à l’intérieur d’étangs expérimentaux, ce qui pourrait expliquer pourquoi certaines bactéries sensibles au glyphosate sont abondantes en présence de fortes concentrations d’herbicides.

Plateforme d'Expérimentation LEAP 

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FR : Vue aérienne de la plateforme d'étangs (Projet LEAP) à la Réserve naturelle Gault au Mont Saint-Hilaire. expérimentaux. EN : Aerial view of the Large Experimental Array of Ponds (LEAP) platform, where the experiment was performed, located in the Gault Nature Reserve in Mont Saint-Hilaire. © Vincent Fugère
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FR : Vue rapprochée des étangs expérimentaux LEAPS traités avec la formule de Roundup, un herbicide à base de glyphosate vendu dans les commerces. EN : Closer view of the LEAP experimental ponds, which were filled with lake water and treated with a Roundup formulation (a commercially available glyphosate-based herbicide) to test the effect different concentrations of this widely used pesticide on planktonic communities. © Vincent Fugère

​FR : La plateforme LEAP contient une multitude de barils remplis avec 1000 litres d'eau provenant d'un lac très propre et qui est utilisé pour testé comment les communautés aquatiques répondent à de multiples stress environnementaux.  Vous pouvez en apprendre plus sur le projet LEAP ici.

EN : LEAP contains multiple tanks that are filled with 1,000 L of water from a pristine lake and used to test how complex aquatic communities respond to environmental stressors. You can read more about the LEAP research area on this website.
On voit sur tes photos un déploiement expérimental impressionnant. Peux-tu nous en dire plus?
PictureFR: Naíla qui travaille ses séquences génomiques de bactéries planctonniques issues de ses expérimentations d'étangs. EN : Naíla working with genomic sequences of planktonic bacteria found in the experimental ponds © Johnnatan Nascimento

Notre design expérimental a permis de tester l’impact de différentes concentrations d’herbicide sur des communautés microbiennes naturelles issues d’un lac à proximité.

Il s’agit d’une version grandeur nature d'une plaquette de 96 puits, comme celles utilisées en laboratoire pour tester l’effet d’antibiotiques sur différentes souches bactériennes. Chaque réservoir représente un puit qui peut contenir 300 gallons d'eau (environ 1360 litres) et qui mesure 60 cm de haut par 1.7 m de large. L’idée derrière le Large Experimental Array of Ponds (LEAP) est de fournir aux chercheur·es la possibilité d’effectuer des expériences, d’une part à grande échelle et, d’autre part avec plusieurs réplicas pour examiner les réponses des communautés aquatiques face à des agents de stress environnementaux qui sont courants.

Comme les réservoirs sont remplis avec de l’eau provenant d’un lac, toutes les espèces qui y sont naturellement présentes peuvent être étudiées dans une environnement contrôlé. Bien que les réservoirs soient des milieux artificiels, puisqu’ils sont en extérieur, ils sont quand même soumis à des conditions environnementales similaires à celles des lacs; changement de température, pluies, vent, etc. Ainsi, les conditions à l’intérieur de ces réservoirs se rapprochent de celles du milieu naturel, si on les compare à des flasques de laboratoire. On appelle ces expériences des mésocosmes et ils sont très utiles pour la recherche où il est important de reproduire au mieux un environnement naturel tout en contrôlant pour d’autres facteurs, tel que l’ajout de contaminants, ce qui ne serait pas possible de faire en nature. Il y a pleins de projets similaires en cours au LEAP vous pouvez en savoir plus sur ce site web.


Quelles sont les grandes trouvailles de votre étude?
Nous avons trouvé que la fréquence des gènes de résistance aux antibiotiques avait augmenté au sein des communautés bactériennes exposées à une sévère contamination par les herbicides à base de glyphosate. Les ''pompes à efflux'' sont le type de gène de résistance aux antibiotiques le plus retrouvé en présence de l'herbicide. Nous pensons que ces pompes permettraient aux bactéries de transporter le glyphosate hors de leurs cellules. Ainsi, ces gènes aident à expliquer pourquoi certaines bactéries sont abondantes en présence de l’herbicide bien qu’elle ne possèdent pas le gène de résistance au glyphosate.

En résumé, cette étude fournit la preuve que le phénomène de sélection croisée (pour des gènes de résistance aux antibiotiques favorisé par un herbicide) peut se produire dans une communauté bactérienne complexe d’origine naturelle. Ce phénomène avait déjà été observé en laboratoire et dans des microbiomes du sol, mais jamais dans des communautés microbiennes aquatique.

Penses-tu que ce même phénomène de sélection croisée peut favoriser l’émergence de bactéries pathogènes dans les milieux aquatiques?

Quelles sont les conséquences potentielles (s'il y en a) de la sélection croisée pour l’écologie de ces milieux et la santé humaine?

Notre étude montre que le phénomène de sélection croisée pour des gènes de résistance aux antibiotiques existe mais il est probablement très rare dans l’environnement, car les concentrations d’herbicide que nous avons utilisées pour promouvoir cette sélection étaient beaucoup plus élevées que celles mesurées en milieu naturel. C’est tout de même une bonne raison pour être prudent quant aux contaminations accidentelles par les pesticides d’agriculture. La plupart des bactéries que nous avons retrouvées dans nos expériences n’étaient pas des espèces pathogènes de l’humain, mais nous savons que les bactéries sont très bonnes pour s’échanger des gènes entre espèces, ce qui constitue une raison de plus pour rester alerte à la présence de ces gènes dans l’environnement bien qu’il n’y ait pas de danger imminent.

Par la suite, il serait important de re-tester les hypothèses de cette étude dans des milieux aquatiques naturels qui reçoivent des eaux de ruissellement contaminées tout en quantifiant la quantité de résidus de pesticides qu’ils contiennent. Le grand défi de ce type d’étude est de quantifier la contribution des nombreux de facteurs environnementaux qui interagissent les uns avec les autres et établir des liens de cause à effet entre eux et les communautés microbiennes. C’est aussi pour ça que les étudies en microcosme sont si pratiques.

En parlant de défis, quels ont été les tiens à travers ce projet?

En tant qu’écologiste qui utilise la bio-informatique pour répondre à mes questions, je me sens constamment stimulée par de nouveaux problèmes. Au début du projet, j’ai dû apprendre à accéder aux grappes computationnelles de Compute Canada pour faire mes analyses sur des ordinateurs à haute performance et je peux dire que j’ai eu des jours de gloire et des jours de douleur. Si tu sous-estimes le temps ou la quantité de mémoire nécessaire pour une tâche, celle-ci va échouer au bout du compte. D’un autre coté si tu sur-estimes ces paramètres, tu perds de la priorité dans la file d’attente, car ces serveurs sont utilisés par tous les chercheurs du Canada. J’ai pas mal souffert pour me familiariser à ce système mais c’est définitivement glorieux quand l’ordinateur travaille pour toi pendant la nuit et que tout est fini et prêt quand tu te réveilles. ;)




Maintenant que tu connais tous les rouages des ordinateurs à haute performance, as-tu des conseils pour un·e nouveau·elle chercheur·e qui commencerait avec les ressources bio-informatiques de Compute Canada? 

Mon conseil principal est de ne pas hésiter à demander de l’aide quand tu te sens perdu ou que tu buttes pendant des jours sur un problème. C’est parfois difficile de trouver la bonne personne, mais heureusement Compute Canada a une superbe équipe de soutien et elle m’a toujours aidé quand j’avais des difficultés. Tu peux leur envoyer un courriel et ils répondent typiquement dans les 24h. Il y a aussi pleins de tutoriels en ligne et la page wiki de Compute Canada qui peuvent être très utiles. Il y a aussi des ateliers offert par Compute Canada qui sont gratuits pour les étudiant et étudiantes aux cycles supérieurs !

ENGLISH VERSION 

PictureNaíla Barbosa da Costa holding an agar plate containing bacteria isolated from experimental freshwater ponds © Johnnatan Nascimento


Ecologist who left the warm tropical lands of Brazil to pursue a PhD at l’Université de Montréal, Naíla is interested in understanding how freshwater microorganisms face severe contamination induced by pesticides widely used worldwide. She looks for the answers to her research questions in the information encoded in the DNA of bacteria.

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What motivated this study?

Glyphosate-based herbicides are extensively used worldwide since the development of glyphosate-tolerant crops in the 1990s. These crops, mainly soybeans and corn, are genetically modified through the introduction of a glyphosate-resistant gene derived from bacteria. Countries with permissive regulations and large production of genetically engineered crops, such as the United States, Brazil and Argentina, also report high concentrations of glyphosate residues in aquatic environments, which may lead to negative consequences to freshwater biodiversity. Indeed, because they also have the glyphosate-target gene, bacteria, which are key members of the freshwater communities, may be affected by glyphosate residues even though they are far from being the original target of the herbicide used in agriculture and gardens for weed control. 

Unlike most plants however, bacteria carry either a resistant or sensitive version of the glyphosate-target gene. One would therefore expect that in a community with a mixture of sensitive- and glyphosate-resistant bacteria, only the resistant ones survive contamination with the herbicide. But interestingly, it has been shown that some sensitive bacteria are also able to tolerate glyphosate, with no clear explanation yet on why or how this was happening. Meanwhile, some laboratory studies have shown that bacterial strains could increase their resistance to antibiotics in the presence of glyphosate or glyphosate-based herbicides. Could the two phenomenon be related? Could antibiotic-resistance genes explain why some glyphosate-sensitive bacteria survive in the presence of the herbicide?

One possible mechanism allowing bacteria with antibiotic-resistance genes to survive to glyphosate contamination is known as cross-selection. Cross-selection happens when the exposition to a contaminant that could kill bacteria, in other words, a compound with antibiotic potential, selects for several seemingly unrelated genes. These cross-selected genes could confer resistance to multiple compounds and not only the contaminant to which bacteria were exposed to. In this study, I wanted to understand if cross-selection of antibiotic genes could be observed in the bacterioplankton communities inhabiting the experimental ponds and thus explain why some glyphosate-sensitive bacteria were abundant even in the presence of high concentrations of the herbicide.

Your experimental setup from the photos is really impressive. Can you tell us more about it?  (See LEAP Project Box Picture above)

We performed our study in an experimental area that allowed us to test the impact of different herbicide concentrations over microbial communities that were originally from a pristine lake source without putting the environment at risk. We can think of this experimental area as an amplified version of the 96-well plates, which are commonly used in laboratory studies for testing minimal inhibitory concentration of antibiotic agents in bacterial strains. The tanks you see in the photos have a volume of 300 gallons (approximately 1,360 liters) and measure about 60 cm in height and 1.7 m in width.

The idea behind the Large Experimental Array of Ponds, or just LEAP, is to provide a setup for researchers to design large-scale replicated experiments investigating responses of aquatic communities to common environmental stressors. As the tanks are filled with lake water, the initial species present in them are part of a complex natural community and we can thus track their responses to stressors added to the ponds in a controlled setup.

Although the tanks are different from a natural environment in many ways, by being outdoors they are exposed to similar environmental conditions as the source lake, such as fluctuations in temperature and precipitation. Thus, they are closer to a real natural scenario than it would be if the experiment was done with flasks in the laboratory. This kind of setup is called a mesocosm experiment, and it is useful to conduct hypothesis-driven research in an environment that reproduces natural conditions while controlling for other factors, such as the addition of contaminants, which would not be possible in an actual natural environment. There are many cool projects being developed at LEAP, you can check them on this website.

What are the major findings of your study?
We found that that antibiotic-resistance genes increase in frequency, in other words, they are more commonly found in bacterial communities exposed to severe contamination with a glyphosate-based herbicide. Efflux pumps were the most common class of antibiotic-resistance genes found in the presence of the herbicide and we believe that these pumps may be used to transport glyphosate out of the cell. Thus these genes help explain why some bacteria are abundant in the presence of the herbicide even though they do not have the glyphosate-resistant gene. 

In summary, this work provides evidence that cross-selection for antibiotic resistance genes promoted by a herbicide may happen in complex microbial communities from a natural source. We knew this could happen in some bacterial species in laboratory conditions and in soil microbiomes but through this research we proved that the mechanism of cross-selection of antibiotic genes by a glyphosate-based herbicide exists also in complex aquatic communities.

Do you think the same phenomenon of cross-selection can promote the emergence of pathogenic bacteria in aquatic environments? What are the putative consequences of cross-selection for the ecology of the contaminated lakes and human health (if any)?

Our study shows that the phenomenon of cross-selection of antibiotic resistance genes by an herbicide exists but it may be rare to observe it in the environment, as the concentrations we used to promote cross-selection were much higher than those found in natural aquatic environments. Still, it is one more reason to be cautious about accidental contamination with pesticides commonly used in agriculture. Additionally, most of the bacteria found in the experiment are not pathogens. Of course we know that bacteria are very good at sharing genes among different species, which is one more reason to remain alert about the potential presence of these genes in the environment, but again: no reason to panic yet.

As we haven't tested in a natural environment, an important follow-up of this study would be to test the same hypothesis within an aquatic environment that already receives agricultural runoff while quantifying pesticides residues in it. The challenge with this type of study is to quantify the contribution of the many interacting environmental variables to changes in the microbial community and establish causal relationships, that's why controlled experiments are useful, but at the same time they have the limitation of not being as realistic.

What hurdles did you encounter throughout the project?

As an ecologist who uses bioinformatics to answer my research questions, I feel constantly challenged at work. In the early steps of the project, I had to learn how to access the Compute Canada cluster of computers to run my analyses using their high-performance computing infrastructure and I can tell I had days of glory and days of pain. To submit any job to the computer cluster we need to estimate the memory and time it is going to take, then we send it to a scheduler that will allocate the job to computer nodes and run it. If you underestimate the amount of time or memory the job will take it will fail. On the other hand, if you overestimate it you lose priority in the queue of the scheduler and jobs will take longer to start running. Getting used to this system involved a lot of pain, but it is definitely glorious when a computer does a job for you overnight and you wake up with it done ;)

Now that you have mastered the ins and outs of high performance computing, do you have any advice for the new grad students starting to work on the clusters?

My main advice is to ask for help whenever you feel lost or struggle for days with the same issue. Sometimes it's hard to find someone that can help, but fortunately Compute Canada has a nice support system and they always helped me whenever I was facing difficulties. You can email them and they typically reply within a day. There are also some online tutorials and the Compute Canada wiki-page that may be helpful, as well as some workshops offered by them which are free for grad students  !
Merci/Thanks Naíla ! 
Un merci spécial à Maëva Perez pour l'aide avec l'entrevue et la traduction / Special thank to Maëva Perez for the help with the interview and the traduction