Parmi les arthropodes, les tiques sont les plus importants vecteurs de pathogènes en termes de diversité et sont la première cause de transmission de maladies vectorielles en Europe et Amérique du ...Nord. Si ces pathogènes font l'objet de nombreux travaux, les tiques hébergent aussi d'autres symbiotes qui contribuent de manière importante à leur phénotype. Au cours des dernières années, de nombreuses bactéries symbiotiques ont ainsi été recensées chez les tiques. Parmi celles-ci des bactéries présentant une forte homologie avec Coxiella burnetii ont été découvertes. Contrairement à C. burnetii, l'agent responsable de la fièvre Q, les Coxiella-like endosymbiotiques (Coxiella-LE) ne semblent pas capables d'infecter d'autres hôtes que les tiques. Elles font partie des symbiotes à transmission maternelle les plus répandus chez les espèces de tiques et pourraient jouer un rôle important dans la biologie de ces arthropodes. Des premiers éléments suggèrent en effet, que les Coxiella-LE pourraient avoir un rôle nutritionnel en synthétisant vitamines B et cofacteurs absents de l'alimentation de leur hôte tique. Pour comprendre les relations entretenues entre les Coxiella-LE et leurs hôtes je me suis intéressé,au cours de mes travaux de thèse, a l'évolution du genre Coxiella. Pour cela des approches d'analyses phylogénétiques et de génomique comparative ont été utilisées. J'ai ainsi participe à l'établissement de la phylogénie du genre Coxiella par Multi-Locus Sequence Typing (MLST), qui a permis de mettre en évidence la diversité de ce genre bactérien. De manière intéressante C. burnetii émerge au sein d'un de ces clades de bactéries endosymbiotiques de tiques, ce qui semble témoigner d'une récente transition vers la pathogénie. Nous avons séquencé deux nouveaux génomes de Coxiella-LE afin de réaliser une étude de génomique comparative. Tous les génomes de Coxiella étudiés, y compris ceux de C. burnetii, possèdent les gènes nécessaires à la biosynthèse des vitamines B et des cofacteurs, retrouvés habituellement chez les symbiotes nutritionnels d'arthropodes hématophages. Cette découverte renforce l'idée d'un rôle important des Coxiella-LE pour leur hôte tique et, d'après la phylogénie, l'ancêtre commun de ces bactéries serait donc un endosymbiote mutualiste de tique. Pourtant des traces de gènes impliqués dans la virulence de Coxiella burnetii ont été retrouvées dans des génomes appartenant à des clades distincts de Coxiella-LE, ce qui semble plutôt indiquer des pertes récurrentes de la virulence. De plus, différents niveaux d'érosion génomique sont retrouvés dans les génomes de Coxiella-LE étudiés, ce qui indiquerait de fréquents transferts d'hôtes. De tels transferts expliqueraient l'absence de co-cladogenese entre la phylogénie des Coxiella-LE et celle de leur hôte, une caractéristique originale pour un symbiote qui semble obligatoire. Par ailleurs, plusieurs symbiotes à transmission maternelle peuvent être retrouvés chez les tiques, le deuxième axe de ma thèse s'intéresse à l'impact de ces co-infections. Pour cela une population de tiques appartenant à l'espèce Dermacentor marginatus a été étudiée. Cette espèce est, en effet, fréquemment infectée par des bactéries Coxiella-LE, Rickettsia et Spiroplasma et différents statuts d'infection peuvent être observés chez les individus. Aucune compétition n'a été démontrée entre ces bactéries, puisqu’aucune n'interfère avec la transmission et la densité des autres. Néanmoins, en cas de triple infection, la valeur adaptative des hôtes est fortement diminuée avec une réduction importante de leur taille (10%). La transmission verticale de ces symbiotes n'étant pas complète, il devient alors difficile de comprendre comment ces bactéries atteignent de si fortes prévalences au sein de la population avec des coûts associés aussi importants etc…
Among arthropods, ticks are the most important vectors of pathogens in terms of diversity and are the leading cause of transmission of vector-borne diseases in Europe and North America. While these pathogens are the most studied, ticks also harbor other symbionts that contribute significantly to their phenotype. Recently many symbiotic bacteria have been described in ticks. Among them, bacteria exhibiting strong homology with Coxiella burnetii have been discovered. Unlike C. burnetii, the causative agent of Q fever, Coxiella-Like Endosymbiont (Coxiella-LE) seems unable to infect other hosts than ticks. They are among the most widespread maternally-inherited symbionts in tick species and could play an important role in their biology. Coxiella-LE may indeed have a nutritional role by synthesizing B vitamins and cofactors absent from their host's diet. To understand the interaction between Coxiella-LE and their hosts, my thesis work focused on the evolution of the Coxiella genus. For this purpose, phylogenetic analyzes and comparative genomic approaches have been carried out. I have participated in the establishment of the phylogeny of the Coxiella genus by Multi-Locus Sequence Typing (MLST), which highlights the diversity of this bacterial genus. Interestingly C. burnetii emerges within one of these clads of tick endosymbiotic bacteria, which may suggest a recent transition towards pathogenicity. Two new genomes of Coxiella-LE were sequenced to perform comparative genomic analyses. All Coxiella genomes studied, including those of C. burnetii, possess the genes encoding for the biosynthesis of B vitamins and cofactors, as usually found in nutritional symbionts of blood-sucking arthropods. This result strengthens the idea of an important role of Coxiella-LE for their host ticks and, according to the phylogeny, the common ancestor of these bacteria was therefore a mutualistic tick endosymbiont. However, traces of genes involved in the virulence of C. burnetii have been found in genomes belonging to distinct clads of Coxiella-LE, which rather indicate recurrent losses of virulence. Moreover, different levels of genomic erosion are found in the genomes of Coxiella-LE studied, which could indicate different transitions towards the mutualistic way of life. Such recurrent transfers would explain the absence of cocladogenesis between Coxiella-LE and their host phylogeny, an uncommon feature for an obligatory symbiont. As several maternally-inherited symbionts can be found in ticks, the second axis of my thesis has focused on the impact of co-infections. For this purpose, a population of ticks belonging to the species Dermacentor marginatus was studied. This species is frequently infected with Coxiella-LE, Rickettsia and Spiroplasma bacteria and different infection status can be observed in individuals from a single population. No competition has been demonstrated between these bacteria, since none interferes with the transmission and density of the others. However, in case of triple infection, the fitness of the host appears greatly reduced with a significant reduction in size (10%). Since vertical transmission of these symbionts is incomplete, understanding how these symbionts and co-infections are maintained despite this significant cost remains an open question. If the symbiotic strategies of these symbionts are still unknown, it is likely that their transmission is not only maternal, but also horizontal etc…
Dans le contexte de la transition agroécologique en faveur de systèmes de culture plus économes en intrants azotés, la réintroduction des légumineuses a un rôle majeur à jouer pour atteindre la ...durabilité de ces systèmes. Peu de références sont actuellement disponibles sur les intérêts agronomiques et écologiques des différentes espèces, notamment à l’échelle de la rotation. Dans ce cadre, notre objectif principal consiste à mieux quantifier les flux d’azote impliqués au cours et après culture de légumineuses, et ce pour une gamme élargie d’espèces. Notre travail expérimental porte donc sur la caractérisation des flux d’azote induits dans le sol et dans les cultures de légumineuses aux caractéristiques morphologiques contrastées en parallèle de la mesure des déterminants de ces flux. Les objectifs spécifiques consistent à : i) quantifier la fixation symbiotique en fonction du niveau du stock d’azote minéral du sol, la minéralisation de l’azote des résidus de légumineuses après enfouissement et les pertes d’azote en dehors du système sol-plante (lixiviation, émission de protoxyde d’azote), ii) identifier les « traits de plantes » explicatifs des fonctions liées à ces flux d’azote. Pour atteindre ces objectifs, les différents flux d’azote ont été quantifiés au cours d’une expérimentation au champ avec implantation d’une culture de légumineuses en première année suivie par une culture de blé en année 2 qui a été menée en 2014-2015 et reconduite sur la campagne 2016-2017. En parallèle, les traits des plantes, notamment racinaires, ont été caractérisés plus finement au cours d’expérimentations conduites en conditions contrôlées
In the context of agroecological transition, the reintroduction of legume crops should play a key role in cropping system sustainability by allowing a reduction of nitrogen (N) inputs. But few references are available concerning the agronomical and ecological services provided by a wide range of legume crops, particularly within crops succession scale. Thus, the main objective of our study is to quantify the N fluxes during and after the legume crops taking into account 10 legume crops (peas, lupin, faba bean, soybean...). Our experiment consists in i) quantifying symbiotic N fixation depending on the amount of soil inorganic N, the mineralisation of N present in legume crop residues after soil incorporation and N losses outside of the soil-plant system (leaching, emission of nitrous oxide), ii) identifying plant biological traits associated to N fluxes. Thus, different N fluxes were quantified during a two-year field experiment, i.e. the first year (2014) legume crops were implanted and followed by wheat the second year (14-15) after incorportation of legume residues. This experiment was repeated in 2016-2017.In parallel, plant root traits were characterised during greenhouse hydroponic experiments
La symbiose entre les légumineuses et les Rhizobiacées est la source d’azote fixé la plus importante pour le bon fonctionnement des écosystèmes naturels et agricoles. Très étudiée chez des ...légumineuses modèles, certains aspects de cette interaction restent peu connus ; c’est le cas des mécanismes génétiques et fonctionnels qui contrôlent la spécificité hôte-symbiote. Il n’y a que peu d’études globales consacrées à ce phénomène, et les gènes symbiotiques sont très peu connus chez les espèces non-modèles. Dans ce contexte, nous avons étudié un cas de changement de spécificité symbiotique remarquable chez des espèces phylogénétiquement proches du genre Lupinus (Fabacées). Tout d’abord, la reconstruction et l’analyse de génomes chloroplastiques complets a permis de camper le cadre évolutif de la symbiose en générant de nouveaux marqueurs d’intérêt pour clarifier la phylogénie et l’évolution des lupins. A partir d’une expérimentation d’inoculation croisée impliquant trois espèces de lupins méditerranéens et deux souches compatibles et incompatibles de Bradyrhizobium, une approche RNA-Seq a permis de produire les premiers nodulomes de lupin et d’identifier les gènes symbiotiques. L’analyse des gènes différentiellement exprimés a montré que la spécificité symbiotique affecte non seulement la voie de signalisation et de régulation de la symbiose, mais également une diversité de voies métaboliques associées. Enfin, l’étude de la dynamique évolutive et fonctionnelle de quelques gènes a mis en évidence l’impact et l’importance des phénomènes de duplication aux différents niveaux de la cascade génétique symbiotique.
Legumes-Rhizobia symbiosis is the most important fixing nitrogen source for the good functioning of both natural and agricultural ecosystems. Although, it is extensively studied in model legumes, some aspects of this interaction remain unclear, such as the genetic and functional mechanisms controlling the host-symbiont specificity. Large scale studies of this process are scarce and symbiotic genes are not well described in non-model species. In this context, the effect of symbiotic specificity was investigated in phylogenetically close relative species belonging to the Lupinus genus (Fabaceae). First, the reconstruction and analysis of complete chloroplast genomes allowed us to generate new and useful markers for clarifying the Lupinus phylogeny in order to lighten the evolutionary context of the symbiosis. Following a cross-inoculation experiment of three Mediterranean lupine species with two compatible or incompatible Bradyrhizobium strains, a RNA-Seq approach allowed the reconstruction of the first lupine nodulomes and the identification of lupine symbiotic genes. The analysis of differentially expressed genes revealed that the symbiotic specificity affects not only the signalling and regulatory symbiotic pathways, but also diverse associated metabolic pathways. Finally, evaluating the evolutionary and functional dynamics of genes highlighted the importance of gene and genome duplication events at different steps of the symbiotic genetic pathway.
L’anémone de mer symbiotique Anemonia viridis possède cinq morphes définis à l’aide de critères morphologiques. Premièrement, le statut taxonomique de trois des morphes d’A. viridis (var. rufescens, ...rustica et smaragdina) a été précisé à l’aide de marqueurs moléculaires basés sur des gènes de stress et des marqueurs RAD. Nous avons pu déterminer que ces trois morphes ne formaient qu’une seule espèce et mis en évidence quatre lignées génétiques indépendantes sur base de la géographie (trois en mer Méditerranée, une dans la Manche). Par l’utilisation des variations des séquences ITS2, nous n’avons pu détecter aucune implication du symbiote (Symbiodinium sp.) dans la différenciation des morphes, mais nous avons révélé une composition en symbiotes divergente entre les lignées génétiques indépendantes de l’hôte animal. Par ailleurs, A. viridis se développe dans des environnements particulièrement contrastés, faisant d’elle un modèle d’étude idéal pour l’étude de l’adaptation locale chez les Cnidaires. Par conséquent, l’adaptation locale chez A. viridis a été testée en comparant des populations venant de sites aux conditions environnementales contrastées (surface vs. profondeur et lagune vs. mer). Une recherche de loci outliers sur des marqueurs RAD et des marqueurs de gènes de stress n’a toutefois révélé aucun gène candidat dans l’adaptation locale par rapport aux conditions environnementales testées. Ce travail a donc permis de définir A. viridis comme un organisme extrêmement plastique capable de posséder un fort polymorphisme intrinsèque et de s’acclimater à des habitats contrastés.
The symbiotic sea anemone Anemonia viridis has five morphs described using morphological traits. First, the taxonomical status of three of the morphs of A. viridis (var. rufescens, rustica and smaragdina) was studied using stress gene markers and RAD markers. We revealed that the three morphs were not different species, but that A. viridis was split into four polymorphic independent genetic lineages based on geographical origin (three in the Mediterranean Sea, one in the English Channel). Using ITS2 sequence variation, we could not detect any implication of the symbiont (Symbiodinium sp) in the morph differentiation, but we revealed a divergence in symbiont composition among the geographic independent lineages of the animal host. If no effect of the symbiont was detected, a variable distribution of the ITS2 variants based on geography was revealed. Moreover, A. viridis lives in highly contrasted environments, making it an ideal species to study local adaptation. Thus, local adaptation was tested on A. viridis by comparing populations coming from contrasted environments (shallow vs. deep and lagoon vs. sea). Using RAD and stress genes markers in a search for outlier loci, we revealed no candidate adaptive genes under our environmental conditions. In conclusion, Anemonia viridis seems to be a very plastic organism, with a high intrinsic polymorphism and a high acclimation potential.
Les invasions biologiques ont des conséquences écologiques telles que l'émergence de pathogènes et de ravageurs. Les populations invasives font face à de nouvelles conditions biotiques et abiotiques ...qu'elles doivent surmonter. Ces invasions biologiques sont des systèmes modèles pour étudier l'évolution sur de courtes échelles de temps car elles nécessitent une adaptation rapide qui fait intervenir différents processus (sélection naturelle, dérive, plasticité phénotypique). Du fait des introductions multiples et de l'hybridation, une augmentation de la variabilité génétique nucléaire peut-être observée dans ces populations, support d'une réponse adaptative plus rapide. De plus, chez les insectes, les symbiotes peuvent jouer un rôle important dans l'adaptation, contribution encore largement inconnue. Le ravageur de culture Bemisia tabaci est un complexe d'espèces dont les barrières reproductives sont peu connues et dont les différentes entités --- les cytotypes --- présentent des cortèges symbiotiques qui leur sont spécifiques. Grâce à une description de la dynamique spatio-temporelle de ces cytotypes, en contexte invasif en France et plus largement dans le bassin méditerranéen, nous avons constaté la présence simultanée de deux de ces entités et nous nous sommes interrogés sur un éventuel remplacement ou une coexistence. Cette situation originale nous a permis de tester leurs limites reproductives grâce à des microsatellites et des tests comportementaux, ainsi que la possibilité de transferts horizontaux de bactéries. Transferts que nous avons tenté de reproduire en laboratoire. Nous avons aussi développé des marqueurs RADSeq pour de futures analyses génomiques
Biological invasions have ecological consequences such as the emergence of pathogens and pests. Invasive populations face new biotic and abiotic conditions that they have to overcome.These biological invasions are model systems to study the evolution over short time scales because they require rapid adaptation that involves different processes (natural selection, drift, phenotypic plasticity).Because multiple introductions and hybridization, an increase in the nuclear genetic variability may be observed in these populations, supporting a faster adaptive response.Moreover, in insects, symbionts can play an important role in adaptation, a contribution largely unknown yet.Bemisia tabaci crop pest is a complex of species whose reproductive barriers are poorly known and whose different entities --- the cytotypes --- have symbiotic associations specific to them.Through a spatio-temporal dynamics description of these cytotypes in invasive context in France and more widely in the Mediterranean bassin, we found the simultaneous presence of both of these entities and we wondered about a possible replacement or coexistence.This peculiar situation has allowed us to test their reproductive boundaries with microsatellites and behavioral tests, as well as the possibility of horizontal transfer of bacteria. Transfers that we tried to reproduce in the laboratory. We have also developed RADSeq markers for future genomic analyzes
Les patrons de distribution chez les micro-organismes reposeraient sur leurs capacités à disperser dans le temps et dans l'espace, en lien avec des facteurs abiotiques comme les propriétés du sol, le ...climat, et des interactions biotiques, notamment avec l'hôte dans le cas des symbiontes, mais aussi sur les traits d'histoire de vie propres aux micro-organismes, telle que la capacité à sporuler. Frankia sp. est une actinobactérie sporulante et fixatrice d'azote à la biogéographie complexe, car vivant à la fois de façon saprophytique dans le sol, en symbiose racinaire (nodosité) avec les plantes actinorhiziennes dont les aulnes (Alnus, Betulaceae). Deux types de souches de Frankia génétiquement différentes ont été décrites dont la distinction phénotypique majeure réside dans la capacité à maintenir (Sp+) ou non (Sp-) leur sporulation in planta. Cette sporulation endophytique est à notre connaissance unique dans un contexte symbiotique et son implication dans la biogéographie de Frankia, reste peu connue. Ces travaux de thèse intègrent à la fois des approches descriptives et expérimentales, sur le terrain et au laboratoire, afin d'accroître la compréhension du rôle écologique de la sporulation in planta de Frankia. Dans un premier temps, nous avons étendu la description de la phylobiogéographie des souches de Frankia Sp+ afin de tester la validité du patron de distribution centré sur les milieux froids des zones de haute altitude et de haute latitude de l'hémisphère nord. Un intérêt tout particulier a été porté sur les aires géographiques où une plus forte diversité de Frankia était attendue, dans la zone d'origine de l'aulne et ses refuges glaciaires. Dans un second temps, nous avons étudié l'influence du partenaire végétal dans la distribution observée des Frankia Sp+ et l'implication du trait Sp+ dans la capacité d'association à l'hôte. Des croisements expérimentaux ont été réalisés au laboratoire afin de découpler les effets de l'espèce-hôte et du climat, et tester les implications du trait Sp+ en termes d'infectivité, compétitivité et spectre d'hôte. Enfin, nous avons étudié les conséquences écosystémiques de l'expansion subalpine du complexe symbiotique Alnus/Frankia, au niveau de la diversité microbienne et du fonctionnement du cycle de l'azote, en fonction du phénotype de sporulation des souches associées. Des analyses pédologiques, en association avec des mesures de nitrification, dénitrification et fixation d'azote, ainsi que des analyses de diversité microbienne (globale et fonctionnelle), ont été réalisées dans différentes aulnaies Sp+, Sp- ou mixte, à différents stades de colonisation de l'aulne. Les résultats obtenus démontrent une prédominance des souches Sp+ associées aux espèces d'aulne des milieux froids sur les 3 continents de la zone Holarctique, avec une diversité nouvelle dans l'aire d'origine et les zones refuges de l'aulne. Les croisements effectués révèlent une infectivité et compétitivité plus forte des Sp+ par rapport aux Sp-. De plus, contrairement aux Sp- à spectre d'hôte très large, les Sp+ présentent un spectre limité entraînant des incompatibilités d'association suggérant une dépendance forte à une espèce-hôte donnée. Les modifications des communautés microbiennes du sol en réponse à l'expansion du complexe symbiotique Alnus/Frankia ont été démontrées, en lien avec la stimulation du cycle de l'azote dans les milieux sub-/alpins. Les premiers résultats sur l'efficience comparée de la fixation d'azote in natura des souches Sp- par rapport aux Sp+ suggèrent que 100% de l'azote de l'aulne est obtenu par le biais de la fixation. Aucun patron n'est mis en évidence entre souches Sp+ et Sp-, suggérant un effet plus complexe de la saisonnalité, de l'âge de l'arbre et de celui de la nodosité. Les résultats obtenus nous permettent de mieux appréhender les facteurs guidant la biogéographie de Frankia et de discuter de l'évolution de ces patrons de distribution en réponse au réchauffement climatique
Microbial biogeography would be based on the ability of microorganisms to disperse across time and space, as a function of abiotic factors such as soil properties, climate, and of biotic interactions, in particular with the host in the case of symbionts, but also on life history traits such as the ability to sporulate. Frankia sp. is a spore-forming and nitrogen-fixing actinobacterium that has a complex biogeography given its abilities for both saprophytic life and root symbiotic interaction with actinorhizal plants such as alders (Alnus, Betulaceae). Two distinct groups of Frankia lineages have been described according to a major phenotypic divergence, based on the presence (Sp+) or the absence (Sp-) of spores in planta.. To the best of our knowledge, this endophytic sporulation is an original trait in a symbiotic context and very little is known about its incidence in Frankia biogeography. This work integrates descriptive and experimental approaches on both field and laboratory areas, in order to improve the understanding of the ecological role of Frankia in planta sporulation. First, we have extended the description of the phylobiogeography of Sp+ Frankia strains to validate the previously proposed distribution pattern focused on cold environements at high altitude or high latitude. A phylogeny has been computed using a large number of nodular strains coming from the 3 continents of the Northern Hemisphere and 10 different Alnus species. Special attention was paid to geographic areas where a higher diversity was expected, in Asia, and in its glacial refuges. Second, we studied the influence of the host-plant on the distribution of Fankia Sp+ and the incidence of Sp+ in the symbiotic interaction. Experimental crosses have been performed to disentangle host and climate effects and to test the incidence of the Sp+ trait in terms of infectivity, competitiveness and host-range. Finally, we studied the ecological consequences of the Alnus/Frankia symbiotic complex, on the microbial diversity and on the nitrogen cycle functionning, with respect to the sporulation of Frankia and to the Alnus expansion on sub-/alpine grasslands. Soils analyses were performed in association with measures of nitrification and denitrification, as well as global and functional microbial diversity analyses, in Sp+, Sp- or mixed alder stands and at different colonization stages. In each part of this work, alder ectomycorhizae were analyzed to compare the distribution pattern between the two symbionts and to highlight potential interactions with the Sp+ trait of Frankia. Our results show the dominance of Sp+ strains in nodules of alder species from cold environments over the 3 continents of the Holarctic zone, with original diversity patterns in alder area of origin and in glacial refuges. Even if these strains are genetically homogenous, host-specific clusters were observed in the phylogeny. Crosses revealed that Sp+ strains were more infective and competitive than Sp- strains. Moreover, unlike Sp- strains that harbor a wide host-range, Sp+ strains have a narrower specificity leading to association’s incompatibilities and suggesting strong host dependence. For the first time, modifications of microbial communities were revealed in response to the Alnus-Frankia symbiotic complex colonization and were linked to a stimulation of the nitrogen cycle in the sub-/alpine grasslands. The first comparative results of nitrogen fixation between Sp+ and Sp- strains in natura suggest a maximal efficiency of fixation, representing almost 100% of the alder nitrogen. However, unlike previous reports in literature, no pattern was observed between Sp+ and Sp- strains, suggesting a complex effect of seasonality, alder age as well as that of nodules. Altogether, the previous results contribute to a better understanding of the Frankia biogeography drivers and allow us to discuss the expected evolution of distribution pattern in response to the global warming
Le traitement biologique des eaux usées urbaines et industrielles reste une activité ayant un impact négatif sur l’environnement et sur le changement climatique par l’émission des gaz à effet de ...serre (GES), notamment le CO2. Les changements innovants au niveau des procédés de traitement des eaux usées par l’intégration des flocs de microalgues-bactéries ont abouti à des procédés multitrophiques sans apport d’O2 et sans dégagement du CO2. Il s'agit d'une étude de faisabilité de ces flocs-MaB pour la photobioremédiation des polluants (organiques et minéraux) et pour la production de biomasse valorisable en bioénergie dans le cadre de l'économie circulaire. En présence de la lumière, les flocs-MaB ont été intégrés dans des photobioréacteurs à biomasse fixe afin d'assurer un traitement durable des eaux usées grâce aux échanges symbiotiques entre les micro-oragnismes en terme de nutriments et de gaz. L'encapsulation des flocs-MaB dans des billes de PVA-alginate a montré l'effet des conditions physico-chimiques et hydrodynamiques sur l'élimination des polluants et l'évolution multicellulaire des flocs au sein des réacteurs à multi-échelles. Par ailleurs, la biomasse multitrophique immobilisée sur des supports biodégradables d'olive (OPP) et sur des disques en PVC a assuré une meilleure performance des bioréacteurs à lit fluidisé et à disques rotatifs, respectivement, pour la bioremédiation des eaux usées. Les propriétés des supports (porosité, rugosité et structure) et les comportements hydrodynamiques ont été contrôlés pour favoriser l'attachement des biofilms multitrophiques. Le développement de biofilm montre l'effet des interactions multitrophiques entre les microalgues et les bactéries sur l'élimination des composés organiques (DCO) et nutriments (ammonium et phosphore). La biomasse des flocs-MaB a été récupérée et réutilisée pour le traitement du digestat liquide à l'issu du digesteur et pour améliorer la production de biométhane par une co-digestion anaérobie. Ce procédé multitrophique et intégré permet d'obtenir Zéro déchet à la sortie du processus
The biological treatment of urban and industrial wastewaters represents a process with a negative impact on the environment and on climate change through the emission of greenhouse gases (GHG), particularly CO2. In the presence of light, microalgae-bacteria flocs (MaB-flocs) have been integrated into photobioreactors with fixed biomass to ensure a sustainable wastewater treatment without O2 supply and CO2 release. The entrapment of flocs in PVA-alginate beads has shown the effect of physicochemical and hydrodynamic conditions on the elimination of pollutants and the multicellularity evolution within multi-scale bioreactors. In addition, the immobilization of biomass on biodegradable olive carriers and on PVC disks provided a better performance of fluidized bed and rotating discs bioreactors, respectively, for the bioremediation of wastewater. The properties of the supports (porosity, roughness, and structure) and the hydrodynamic behaviors have favored the attachment of multitrophic biofilms. Biofilm development shows the effect of multitrophic interactions between microalgae and bacteria on the organic compounds (COD) and nutrients (ammonium and phosphorus) removals. The MaB-flocs biomass was recovered and reused for the treatment of the digestate and to improve the production of biomethane by anaerobic co-digestion. This integrated multitrophic technology makes it possible to obtain zero wastes at the end of the process
La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les ...services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. ...
Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being
En raison de leur rôle central dans la physiologie et le développement des plantes, les phythormones ont depuis longtemps été considérées comme des médiateurs chimiques déterminants dans la capacité ...des insectes à contrôler leur environnement végétal. Les mécanismes permettant aux insectes de manipuler la balance phytohormonale permettant ainsi la régulation des apports nutritifs et la modulation des défenses végétales demeurent néanmoins pour la plupart inconnus, en particulier pour les insectes galligènes et mineurs de feuilles. L’objectif de ma thèse visait à caractériser les capacités de modulation phytohormonale par les insectes manipulateurs de plantes avec un accent particulier sur le lépidoptère mineur de feuille Phyllonorycter blancardella. Nous avons ainsi développés une caractérisation spatio-temporelle de la réponse des plantes aux attaques des larves mineuses au niveau moléculaire et biochimique. Une comparaison entre différents systèmes biologiques nous a permis d’évaluer les similitudes entre les stratégies adoptées par les les insectes galligènes et les insectes mineurs de feuilles, d’identifier l’origine possible des phytohormones impliquées dans la manipulation de la plante et le rôle des bactéries endosymbiotiques d’insectes dans ces interactions.
Because phytohormones lie at the very core of molecular mechanisms controlling the plant physiology and development, they have long been hypothesized to be involved in insect-induced plant manipulations. Insects are using phytohormones to manipulate their host plants for their own benefit, regulating nutrient provisioning and plant defenses. However, a mechanistic understanding of how phytohormones operate in plant reconfigurations by plant-manipulating insects, especially by gall-inducing and leaf-minging insects, is lacking. The objective of my Ph.D. was to provide an extensive characterization of how plant-manipulating insects modulate the plant global hormonal balance with a specific focus on the leaf-mining moth Phyllonorycter blancardella. We thus developed a time course characterization of plant transcriptomic and biochemical responses following attack by leaf-mining larvae. A comparative analysis between different biological systems allowed us to estimate similarities in strategies developed leaf-mining and gall-inducing insects, to identify the possible origin of phytohormones involved in the plant manipulation and to estimate the role of insect endosymbiotic bacteria in these interactions.
