Metabolomics in Ecology and Bioactive Natural Products Discovery: Challenges and Prospects for a Comprehensive Study of the Specialised Metabolome

Metabolomics is playing an increasingly prominent role in chemical ecology and in the discovery of bioactive natural products (NPs). The identification of metabolites is a common/central objective in both research fields. NPs have significant biological properties and play roles in multiple chemical-ecological interactions. Classically, in pharmacognosy, their chemical structure is determined after a complex process of isolating and interpreting spectroscopic data. With the advent of powerful analytical techniques such as liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) the annotation process of the specialised metabolome of plants and microorganisms has improved considerably. In this article, we summarise the possibilities opened by these advances and illustrate how we harnessed them in our own research to automate annotations of NPs and target the isolation of key compounds. In addition, we are also discussing the analytical and computational challenges associated with these emerging approaches and their perspective

Leaf metabolic traits reveal hidden dimensions of plant form and function

The metabolome is the biochemical basis of plant form and function, but we know little about its macroecological variation across the plant kingdom. Here, we used the plant functional trait concept to interpret leaf metabolome variation among 457 tropical and 339 temperate plant species. Distilling metabolite chemistry into five metabolic functional traits reveals that plants vary on two major axes of leaf metabolic specialization—a leaf chemical defense spectrum and an expression of leaf longevity. Axes are similar for tropical and temperate species, with many trait combinations being viable. However, metabolic traits vary orthogonally to life-history strategies described by widely used functional traits. The metabolome thus expands the functional trait concept by providing additional axes of metabolic specialization for examining plant form and function

Leaf metabolic traits reveal hidden dimensions of plant form and function

International audienceThe metabolome is the biochemical basis of plant form and function, but we know little about its macroecological variation across the plant kingdom. Here, we used the plant functional trait concept to interpret leaf metabolome variation among 457 tropical and 339 temperate plant species. Distilling metabolite chemistry into five metabolic functional traits reveals that plants vary on two major axes of leaf metabolic specialization—a leaf chemical defense spectrum and an expression of leaf longevity. Axes are similar for tropical and temperate species, with many trait combinations being viable. However, metabolic traits vary orthogonally to life-history strategies described by widely used functional traits. The metabolome thus expands the functional trait concept by providing additional axes of metabolic specialization for examining plant form and function

Effets des interactions biotiques sur la régénération des forêts le long de gradients climatiques

Understand how climate change could influence forest tree recruitment is a challenge because germination, seedling growth and seedling survival are especially sensitive to biotic and abiotic factors. Several conceptual models (as the “Stress Gradient Hypothesis”, SGH, and the “Latitudinal Herbivory Theory”, LHT) propose that the nature and intensity of biotic interactions vary along environmental gradients. These models constitute a useful theoretical basis to determine the role played by biotic interactions in the response of vegetation communities to climate variations. However, SGH studies have nevertheless been limited until now to direct interactions between plants and have neglected complex interactions. Theories including higher trophic levels, as the LGH, are still debated and have focused on a limited number of interactions. For example, interactions with soil biota have been neglected. In this thesis, we have analysed how direct and indirect interactions between seedlings, adult trees, ground vegetation, herbivorous insects, and soil pathogens vary in nature and intensity along climate gradients. To study interactions between plants, we established an experimentation using the spatio-temporal climatic variability in the French Alps. The results show that the direct effects of competition from adult tree canopy and ground vegetation diminish at higher altitudes. However, for warmer sites, indirect facilitation by canopy could limit direct competition by ground vegetation. To study the interactions between seedlings and herbivorous insects, we have analysed the altitudinal and latitudinal variation of herbivory on young trees across Europe. Results show that herbivory is the lowest where temperature and water stresses are strong. Finally, to study interactions with soil microorganisms, we have measured in a greenhouse the survival of European beech seedlings on soils either sterilized or not, collected along an altitudinal gradient. The results show that the negative effect of microorganisms is lower when microbe communities come from higher altitudes. The results suggest that the negative direct effects of plants, herbivorous insects and soil pathogens on seedlings are dominant in warm and productive environments and diminish in cold environments. Indirect interactions seem to vary inversely and could buffer the effects of direct interactions.Comprendre comment les variations du climat pourraient influencer le recrutement des arbres en forêt est un défi car la germination, la croissance et la survie des semis sont particulièrement sensibles aux facteurs biotiques et abiotiques. Plusieurs modèles conceptuels généraux, (la « stress gradient hypothesis » SGH et « latitudinal herbivory theory » LHT,) suggèrent que la nature et l'intensité des interactions biotiques varient le long de gradients environnementaux. Ces modèles constituent une base théorique utile pour déterminer le rôle des interactions biotiques dans la réponse des communautés végétales aux variations du climat. Cependant, les études portant sur la SGH se sont limitées aux interactions directes entre plantes et ont négligé les interactions complexes. Les théories développées pour des niveaux trophiques supérieurs (comme la LHT) sont quant-à elles sujettes à débat et ne considèrent qu'un nombre limité d'interactions. Les interactions avec les micro-organismes du sol ont par exemple été négligées. Dans cette thèse, j'ai analysé comment les interactions directes et indirectes entre les semis, les arbres adultes, la végétation herbacée, les insectes herbivores et les pathogènes du sol varient en nature et en intensité le long de gradients climatiques. Pour explorer les interactions entre plantes, j'ai effectué une expérimentation s'appuyant sur la variabilité spatio-temporelle des conditions climatiques dans les Alpes. Les résultats montrent que les effets directs de compétition de la canopée et de la végétation herbacée augmentent avec la température. Cependant, pour les sites les plus chauds, la facilitation indirecte pourrait limiter la compétition directe des herbacées. Pour les interactions avec insectes herbivores,nous avons montré que le long de gradients d'altitude et de latitude, l'herbivorie est minimale là où les stress thermiques et hydriques est fort. Enfin, pour les interactions avec les micro-organismes du sol, nous avons mesuré en chambre de culture la survie de plantules de hêtre dans des sols, stérilisés ou non, collectés le long d'un gradient d'altitude. Les résultats montrent que les effets négatifs des micro-organismes sont plus faibles quand les communautés microbiennes proviennent de sols d'altitudes. Cette thèse suggère que les effets directs négatifs des plantes, des insectes herbivores et des pathogènes du sol sur les semis dominent dans les environnements chauds et productifs et s'atténuent dans des conditions plus froides. Les interactions indirectes semblent varier inversement et pourraient ainsi tamponner l'effet des interactions directes

Effects of biotic interactions on forest regeneration along climatic gradients

Comprendre comment les variations du climat pourraient influencer le recrutement des arbres en forêt est un défi car la germination, la croissance et la survie des semis sont particulièrement sensibles aux facteurs biotiques et abiotiques. Plusieurs modèles conceptuels généraux, (la « stress gradient hypothesis » SGH et « latitudinal herbivory theory » LHT,) suggèrent que la nature et l'intensité des interactions biotiques varient le long de gradients environnementaux. Ces modèles constituent une base théorique utile pour déterminer le rôle des interactions biotiques dans la réponse des communautés végétales aux variations du climat. Cependant, les études portant sur la SGH se sont limitées aux interactions directes entre plantes et ont négligé les interactions complexes. Les théories développées pour des niveaux trophiques supérieurs (comme la LHT) sont quant-à elles sujettes à débat et ne considèrent qu'un nombre limité d'interactions. Les interactions avec les micro-organismes du sol ont par exemple été négligées. Dans cette thèse, j'ai analysé comment les interactions directes et indirectes entre les semis, les arbres adultes, la végétation herbacée, les insectes herbivores et les pathogènes du sol varient en nature et en intensité le long de gradients climatiques. Pour explorer les interactions entre plantes, j'ai effectué une expérimentation s'appuyant sur la variabilité spatio-temporelle des conditions climatiques dans les Alpes. Les résultats montrent que les effets directs de compétition de la canopée et de la végétation herbacée augmentent avec la température. Cependant, pour les sites les plus chauds, la facilitation indirecte pourrait limiter la compétition directe des herbacées. Pour les interactions avec insectes herbivores,nous avons montré que le long de gradients d'altitude et de latitude, l'herbivorie est minimale là où les stress thermiques et hydriques est fort. Enfin, pour les interactions avec les micro-organismes du sol, nous avons mesuré en chambre de culture la survie de plantules de hêtre dans des sols, stérilisés ou non, collectés le long d'un gradient d'altitude. Les résultats montrent que les effets négatifs des micro-organismes sont plus faibles quand les communautés microbiennes proviennent de sols d'altitudes. Cette thèse suggère que les effets directs négatifs des plantes, des insectes herbivores et des pathogènes du sol sur les semis dominent dans les environnements chauds et productifs et s'atténuent dans des conditions plus froides. Les interactions indirectes semblent varier inversement et pourraient ainsi tamponner l'effet des interactions directes.Understand how climate change could influence forest tree recruitment is a challenge because germination, seedling growth and seedling survival are especially sensitive to biotic and abiotic factors. Several conceptual models (as the “Stress Gradient Hypothesis”, SGH, and the “Latitudinal Herbivory Theory”, LHT) propose that the nature and intensity of biotic interactions vary along environmental gradients. These models constitute a useful theoretical basis to determine the role played by biotic interactions in the response of vegetation communities to climate variations. However, SGH studies have nevertheless been limited until now to direct interactions between plants and have neglected complex interactions. Theories including higher trophic levels, as the LGH, are still debated and have focused on a limited number of interactions. For example, interactions with soil biota have been neglected. In this thesis, we have analysed how direct and indirect interactions between seedlings, adult trees, ground vegetation, herbivorous insects, and soil pathogens vary in nature and intensity along climate gradients. To study interactions between plants, we established an experimentation using the spatio-temporal climatic variability in the French Alps. The results show that the direct effects of competition from adult tree canopy and ground vegetation diminish at higher altitudes. However, for warmer sites, indirect facilitation by canopy could limit direct competition by ground vegetation. To study the interactions between seedlings and herbivorous insects, we have analysed the altitudinal and latitudinal variation of herbivory on young trees across Europe. Results show that herbivory is the lowest where temperature and water stresses are strong. Finally, to study interactions with soil microorganisms, we have measured in a greenhouse the survival of European beech seedlings on soils either sterilized or not, collected along an altitudinal gradient. The results show that the negative effect of microorganisms is lower when microbe communities come from higher altitudes. The results suggest that the negative direct effects of plants, herbivorous insects and soil pathogens on seedlings are dominant in warm and productive environments and diminish in cold environments. Indirect interactions seem to vary inversely and could buffer the effects of direct interactions

Effets des interactions biotiques sur la régénération des forêts le long de gradients climatiques

Comprendre comment les variations du climat pourraient influencer le recrutement des arbres en forêt est un défi car la germination, la croissance et la survie des semis sont particulièrement sensibles aux facteurs biotiques et abiotiques. Plusieurs modèles conceptuels généraux, (la stress gradient hypothesis SGH et latitudinal herbivory theory LHT,) suggèrent que la nature et l'intensité des interactions biotiques varient le long de gradients environnementaux. Ces modèles constituent une base théorique utile pour déterminer le rôle des interactions biotiques dans la réponse des communautés végétales aux variations du climat. Cependant, les études portant sur la SGH se sont limitées aux interactions directes entre plantes et ont négligé les interactions complexes. Les théories développées pour des niveaux trophiques supérieurs (comme la LHT) sont quant-à elles sujettes à débat et ne considèrent qu'un nombre limité d'interactions. Les interactions avec les micro-organismes du sol ont par exemple été négligées. Dans cette thèse, j'ai analysé comment les interactions directes et indirectes entre les semis, les arbres adultes, la végétation herbacée, les insectes herbivores et les pathogènes du sol varient en nature et en intensité le long de gradients climatiques. Pour explorer les interactions entre plantes, j'ai effectué une expérimentation s'appuyant sur la variabilité spatio-temporelle des conditions climatiques dans les Alpes. Les résultats montrent que les effets directs de compétition de la canopée et de la végétation herbacée augmentent avec la température. Cependant, pour les sites les plus chauds, la facilitation indirecte pourrait limiter la compétition directe des herbacées. Pour les interactions avec insectes herbivores,nous avons montré que le long de gradients d'altitude et de latitude, l'herbivorie est minimale là où les stress thermiques et hydriques est fort. Enfin, pour les interactions avec les micro-organismes du sol, nous avons mesuré en chambre de culture la survie de plantules de hêtre dans des sols, stérilisés ou non, collectés le long d'un gradient d'altitude. Les résultats montrent que les effets négatifs des micro-organismes sont plus faibles quand les communautés microbiennes proviennent de sols d'altitudes. Cette thèse suggère que les effets directs négatifs des plantes, des insectes herbivores et des pathogènes du sol sur les semis dominent dans les environnements chauds et productifs et s'atténuent dans des conditions plus froides. Les interactions indirectes semblent varier inversement et pourraient ainsi tamponner l'effet des interactions directes.Understand how climate change could influence forest tree recruitment is a challenge because germination, seedling growth and seedling survival are especially sensitive to biotic and abiotic factors. Several conceptual models (as the Stress Gradient Hypothesis , SGH, and the Latitudinal Herbivory Theory , LHT) propose that the nature and intensity of biotic interactions vary along environmental gradients. These models constitute a useful theoretical basis to determine the role played by biotic interactions in the response of vegetation communities to climate variations. However, SGH studies have nevertheless been limited until now to direct interactions between plants and have neglected complex interactions. Theories including higher trophic levels, as the LGH, are still debated and have focused on a limited number of interactions. For example, interactions with soil biota have been neglected. In this thesis, we have analysed how direct and indirect interactions between seedlings, adult trees, ground vegetation, herbivorous insects, and soil pathogens vary in nature and intensity along climate gradients. To study interactions between plants, we established an experimentation using the spatio-temporal climatic variability in the French Alps. The results show that the direct effects of competition from adult tree canopy and ground vegetation diminish at higher altitudes. However, for warmer sites, indirect facilitation by canopy could limit direct competition by ground vegetation. To study the interactions between seedlings and herbivorous insects, we have analysed the altitudinal and latitudinal variation of herbivory on young trees across Europe. Results show that herbivory is the lowest where temperature and water stresses are strong. Finally, to study interactions with soil microorganisms, we have measured in a greenhouse the survival of European beech seedlings on soils either sterilized or not, collected along an altitudinal gradient. The results show that the negative effect of microorganisms is lower when microbe communities come from higher altitudes. The results suggest that the negative direct effects of plants, herbivorous insects and soil pathogens on seedlings are dominant in warm and productive environments and diminish in cold environments. Indirect interactions seem to vary inversely and could buffer the effects of direct interactions.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Data from: The unfolding of plant growth form-defence syndromes along elevation gradients

Understanding the functional economics that drives plant investment of resources requires investigating the interface between plant phenotypes and the variation in ecological conditions. While allocation to defence represents a large portion of the carbon budget, this axis is usually neglected in the study of plant economic spectrum. Using a novel geometrical approach, we analysed the co‐variation in a comprehensive set of functional traits related to plant growth strategies, as well as chemical defences against herbivores on all 15 Cardamine species present in the Swiss Alps. By extracting geometrical information of the functional space, we observed clustering of plants into three main syndromes. Those different strategies of growth form and defence were also distributed within distinct elevational bands demonstrating an association between the functional space and the ecological conditions. We conclude that plant strategies converge into clear syndromes that trade off abiotic tolerance, growth and defence within each elevation zone

all traits averages

species-level averages for 15 species of cardamine growing in the Alps