Academic literature on the topic 'Génomique environmentale'

Jörg Tost received his PhD in genetics from the University of Saarbrücken (Germany) in 2004 for devising novel methods for the analysis of haplotypes and DNA methylation patterns. After a postdoctoral stay in the technology development department of the Centre National de Génotypage (Evry, France), he led the Epigenetics groups from 2006 to 2012, before becoming the Director of Laboratory for Epigenetics and Environment at the Centre National de Recherche en Génomique Humaine (CNRGH). The laboratory is involved in the development and application of technologies to analyze DNA methylation, miRNAs and other epigenetic modifications quantitatively at high resolution at target loci and genome-wide using state-of-the-art sequencing technologies as well as the development of bioinformatic tools for the processing of such data. The laboratory mainly focuses on the analysis of epigenetic changes in neurodegenerative, autoimmune and inflammatory diseases as well as the alteration of the epigenetic profiles in function of environmental exposure. A second research axis investigates novel technologies for the analysis of mutations of clinical relevance present at very low proportions in the analyzed samples and their impact on treatment management. Tost has an H-index of 50 and is the author or co-author of more than 195 publications.

SUMMARY. Diversity analysis of moroccan carob (Ceratonia siliqua L.) accessions using phenotypic traits and RAPD markers. The carob (Ceratonia siliqua L.) is a perennial leguminous (Caesalpinioideae) that grows as an evergreen shrub or tree. It’s an important component of the Mediterranean vegetation and its adaptation in marginal soils of the Mediterranean regions is important environmentally and economically. Phenotypic and genetic diversity among 10 Ceratonia siliqua accessions coming from different areas of Morocco were studied with morphometric and RAPD approaches. The analysis of discriminative fruit characters showed highly significant differences among these accessions, the closely related ones have a similarity level less than 65%. No molecular studies have been carried out so far on Ceratonia siliqua. To provide markers useful for molecular diversity study of the carob tree, genomic DNA extraction and amplification conditions were finalized and 67 arbitrary primers were screened. 52 of them showed clearly reproducible banding patterns. The analysis of RAPD profiles revealed a high degree of genetic diversity within these carob accessions and enabled each of them to be uniquely fingerprinted. Overall, in our study we note that morphological relationship between carob accessions is deeply different to their molecular relationship. Concerning the distribution of the accessions according to their geographical origin, clustering based on RAPD data revealed a rough distribution of theses accessions. Indeed, Sidi Bou Ottman, Demnate and Essaouira accessions coming from the south of Morocco seem to be linked in the PCA plot. However, two geographically distant accessions, Aïn Sfa and Ouazzane coming from the north (about 700 Km) were clustered with Essaouira and Demanate - Sidi Bou Ottman, respectively.Key words. Carob, Ceratonia siliqua L., genetic variability, morphometry, RAPD.RÉSUMÉ. Analyse de la diversite des accessions du caroubier marocain (Ceratonia siliqua L.) utilisant des traits phenotypiques et des marqueurs RAPD. Le caroubier (Ceratonia siliqua L.) est une légumineuse pérenne (Caesalpinioideae), à feuillage persistant et pouvant croître entant qu’arbrisseau ou arbre. C’est un composant important de la végétation méditerranéenne et son adaptation aux sols marginaux des régions méditerranéennes est d’une grande importance écologique et économique. La diversité phénotypique et génétique au sein de 10 accessions de caroubier provenant de différentes régions du Maroc a été étudiée par des approches morphométriques et moléculaires (RAPD). L’analyse des caractères morphologiques discriminants du fruit a montré des différences hautement significatives au sein des accessions, puisque les apparentées d’entre elles n’ont approximativement que 65% de similarité. Jusqu’à nos jours, aucune étude moléculaire n’a été entreprise sur Ceratonia siliqua. Pour mettre à disposition des marqueurs utiles pour l’étude de la diversité moléculaire du caroubier, l’extraction de l’ADN génomique et les conditions de l’amplification ont été mises au point et 67 amorces arbitraires ont été criblées. 52 d’entre elles ont montré clairement des profils de bandes reproductibles. L’analyse des profils RAPD a révélé une diversité génétique de haut niveau entre les accessions de caroubier ce qui a permis à chacune d’elles d’être distinguée génétiquement de façon singulière. De manière générale, nous avons noté que la relation morphologique entre les accessions du caroubier est profondément différente de leur relation moléculaire. Concernant la distribution des accessions selon leur origine géographique, le regroupement basé sur les données de la RAPD a révélé une distribution grossière. En effet, les provenances de Sidi Bou Ottman, Demnate et Essaouira, originaires du sud de Maroc, semblent être liés par l’analyse des composantes principales (PCA). Cependant, deux accessions géographiquement distantes, Aïn Sfa et Ouazzane, originaires du Nord (approximativement 700 Kms) ont été liées avec Essaouira et Demanate - Sidi Bou Ottman, respectivement.Mots clés. Caroubier, Ceratonia siliqua L., diversité génétique, morphométrie, RAPD.

Au cours des dernières décennies, notre compréhension de la diversité microbienne dans l'environnement a beaucoup progressé notamment avec l'avènement des méthodes de séquençage de nouvelle génération et les approches « -omics ». Leur application a notamment permis de s'affranchir des approches de mise en culture ne contribuant qu'à une évaluation partielle et orientée de la diversité microbienne. Le métabarcoding, basé sur l'étude d'un marqueur unique et ubiquiste, est la méthode la plus utilisée pour l'analyse de la diversité car elle permet une évaluation assez exhaustive des espèces présentes dans un écosystème. En milieu aquatique, elle a en effet permis la mise en évidence d'une diversité considérable et insoupçonnée d'eucaryotes unicellulaires. Toutefois cette approche, essentiellement descriptive, ne permet pas de déterminer la physiologie ni de comprendre le rôle de ces microorganismes dans les écosystèmes. D'autres méthodes, telles que la métatranscriptomique, offrent la possibilité d'étudier leur potentiel métabolique et d'en évaluer les variations en fonction de paramètres environnementaux. Néanmoins, ces approches de séquençage haut débit conduisent à la production d'une quantité colossale de séquences environnementales dont la majeure partie reste inconnue. Afin d'étudier le lien diversité-fonction au sein des eucaryotes unicellulaires et ainsi mieux comprendre leur rôle dans les réseaux trophiques lacustres, largement sous-étudiés en comparaison aux écosystèmes marins, plusieurs approches ont été utilisées.Du métabarcoding couplé à une étude de traits morpho-physio-phénotypiques, de la métatranscriptomique ainsi qu'une méthodologie basée sur l'isolement et la caractérisation de couples hôte-parasites (séquençage et hybridation in situ), ont été réalisés à partir d'échantillons lacustres (Pavin, méromictique ; Aydat, dimictique). Ces analyses ont révélé l'importante diversité des photo-osmo-phago-mixotrophes et des parasites tout en mettant en évidence les fortes variations saisonnières qu'ils subissent dans le mixolimnion du lac Pavin. Il semblerait, par exemple, que les périodes de brassage profitant aux communautés hôtes photosynthétiques favorisent le développement et la dissémination de champignons parasites notamment par la surexpression de gènes impliqués dans la phototaxie des zoospores et dans les métabolismes lipidiques. Parmi ces champignons parasites, les microsporidies sont des acteurs nouvellement identifiés dans les réseaux trophiques aquatiques. Nous avons en effet découvert avec une forte prévalence (42,5%) dans le lac d'Aydat, une association hôte-parasites entre une potentielle nouvelle espèce de microsporidie et une espèce de rotifère.Une importante biosphère rare a également été mise en évidence dans le monimolimnion anoxique du lac Pavin, caractérisée par de nombreux saprotrophes surexprimant des gènes liés aux métabolismes du soufre, du nitrate et de dégradation de la matière organique. Les métabolismes caractéristiques d'organismes de différents modes trophiques ont également été étudiés en réalisant une étude basée sur la construction de réseaux de similarité de séquences protéiques. Tout en caractérisant pour la première fois une majorité de séquences inconnues (>40%), nous avons révélé la proximité génétique de protéines entre microorganismes hétérotrophes et photo-osmo-phago-mixotrophes et entre saprotrophes et parasites, ainsi qu'une redondance fonctionnelle relative des métabolismes primaires. En revanche, nous avons identifié près d'un million de protéines caractéristiques d'un seul groupe fonctionnel qui, pour certaines, représentent de réelles perspectives d'étude des voies métaboliques impliquées dans les interactions hôte-parasites
Over the last few decades, our understanding of microbial diversity in the environment has advanced considerably, particularly with the advent of next-generation sequencing methods and -omics approaches. These methods have allowed for a more comprehensive evaluation of microbial diversity compared to traditional culture-based approaches. The most commonly used method for analyzing diversity is metabarcoding, which is based on the study of a unique and ubiquitous marker. This method has revealed a considerable and unsuspected diversity of microbial eukaryotes in aquatic environments. However, this approach is mainly descriptive and does not allow for the determination of the physiology or understanding of the role of these microorganisms in ecosystems. Other methods, such as metatranscriptomics, offer the possibility of studying their metabolic potential in relation to environmental parameters. Nevertheless, these high-throughput sequencing approaches lead to the production of a vast quantity of environmental sequences, most of which remain unknown. To better understand the diversity-function link within microbial eukaryotes and their role in lacustrine trophic networks, several approaches have been used.Metabarcoding coupled with a study of morpho-physio-phenotypic traits, metatranscriptomics and a methodology based on the isolation and characterization of host-parasite pairs (sequencing and in situ hybridization), were carried out on lake samples (Pavin, meromictic; Aydat, dimictic). These analyses revealed the high diversity of photo-osmo-phago-mixotrophs and parasites, while also highlighting the strong seasonal variations they undergo in the mixolimnion of lake Pavin. For example, periods of mixing benefiting photosynthetic host communities favor the development and dissemination of parasitic fungi, notably through the overexpression of genes involved in zoospore phototaxis and lipid metabolism. Among these parasitic fungi, Microsporidia are newly identified players in aquatic food webs. Indeed, we discovered a high prevalence (42.5%) host-parasite association between a potential new species of Microsporidia and a species of rotifer in lake Aydat. An important rare biosphere has also been highlighted in the anoxic monimolimnion of Lake Pavin, characterized by numerous saprotrophs overexpressing genes related to sulfur, nitrate, and organic matter degradation metabolisms. The characteristic metabolisms of organisms of different trophic modes have also been studied by constructing protein sequences similarity networks.While characterizing the majority of unknown sequences for the first time (>40%), we have revealed the genetic proximity of proteins between heterotrophic and photo-osmo-phago- mixotrophic microorganisms and between saprotrophs and parasites, as well as a relative functional redundancy of primary metabolisms. On the other hand, we have identified nearly one million proteins characteristic of a single functional group, which, for some, represent real prospects for studying the metabolic pathways involved in host-parasite interactions

Les requins forment un des groupes de prédateurs les plus diversifiés, jouant des rôles importants au sein des écosystèmes marins. Ils forment également l’un des groupes les plus menacés car vulnérables aux pressions anthropiques du fait de leurs traits de vie particuliers. Malgré l’importance des ressources déployées pour le suivi des populations de requins, 41% des 482 espèces recensées dans la Liste Rouge de l’UICN n’ont pas de statut de conservation par manque de données. Il devient donc primordial d’améliorer les connaissances sur ces espèces afin de les protéger et enrayer leur déclin. Il s’agit notamment de mieux caractériser la présence, la structure et la connectivité des populations de requins pour mieux définir leur statut UICN, les zones prioritaires de gestion et optimiser les efforts de conservation mis en place. Cette thèse s’appuie sur l’émergence de nouvelles technologies pour combler les lacunes de connaissances sur les requins des récifs coralliens tropicaux et proposer des actions de gestion. D’une part, une méthode d’analyse des communautés de requins par collecte et séquençage d’ADN présent dans l’environnement (métabarcoding d’ADN environnemental ; ADNe) a été développée au cours de cette thèse, puis mise en parallèle avec des suivis exhaustifs par des méthodes traditionnelles d’étude des populations de requins. Cette approche rapide et non-invasive a permis d’identifier 21 espèces de requins dans les eaux de deux domaines biogéographiques distincts (Caraïbes et Nouvelle-Calédonie). De plus, les patrons de diversité et d’abondance des fragments d’ADNe détectés coïncident avec les gradients de pression anthropique et les niveaux de protection des zones échantillonnées. L’analyse de 22 échantillons d’ADNe dans l’archipel de la Nouvelle-Calédonie a permis de déceler la présence de plus d’espèces que par 2 758 plongées scientifiques réparties sur presque 30 ans et 385 caméras appâtées déployées pendant deux ans, et ce, à la fois proche de l’homme et dans les récifs éloignés. D’autre part, la structure et connectivité des populations d’une espèce plus commune, Carcharhinus amblyrhynchos, ont été caractérisées par une approche de génomique du paysage. Cette thèse s’appuie sur un échantillonnage génétique conséquent en Nouvelle-Calédonie et dans plusieurs autres sites de l’Indo-Pacifique (515 requins). Une approche d’isolement par la résistance via la théorie des circuits a été développée afin de caractériser les paramètres influençant la dispersion de cette espèce. Ainsi, il a été montré que les zones de forte bathymétrie constituent une forte barrière à la dispersion tandis que la proximité à l’habitat récifal en est un facilitateur. La modélisation de la différenciation génétique à haute résolution et à l’échelle de l’aire de répartition de cette espèce (Indo-Pacifique) a permis de définir des unités de conservation hiérarchiques et un nombre important de sites isolés. Enfin, une approche intégrant le déclin des abondances dans les zones anthropisées a montré une fragmentation des populations de C. amblyrhynchos et a permis d’identifier certains récifs éloignés de l’homme comme refuges mais aussi sources pour un repeuplement éventuel des récifs où les populations sont menacées. Cette thèse démontre ainsi le potentiel de l’analyse de l’ADNe pour dévoiler la présence d’espèces rares et furtives telles que les requins, donnant espoir pour combler les lacunes dans leurs statuts de conservation UICN. Elle révèle également la persistance des populations résiduelles en milieu anthropisé, qui pourraient éventuellement montrer des altérations comportementales comme l’utilisation d’habitats plus profonds ou une nocturnalité plus importante. Elle décrit enfin non seulement la structure fine à grande échelle des populations d’une espèce quasi-menacée, mais identifie également des unités de conservation et des zones prioritaires à protéger pour une spatialisation des mesures de gestion à différentes échelles
Sharks represent one of the most diverse groups of predators, playing important functional roles in coastal and oceanic ecosystems. They are also one of the most threatened groups because of their vulnerability to anthropogenic pressures due to their particular life history traits. Shark populations are therefore collapsing with drastic decrease in abundance in all marine ecosystems. Even relatively common species are near- threatened. Despite the deployment of important resources for shark population assessments, 41% of the 482 shark species on the International Union for Conservation of Nature (IUCN) Red List of Threatened Species lack a conservation status due to data deficiency. Improving our knowledge on such species is thus crucial for efficient protection to slow down their decline. More particularly, there is a necessity for a better characterization of presence, structure and connectivity of shark populations to define their conservation status, prioritize spatial management and optimize conservation efforts. This thesis relies on the emergence of new technologies to fill knowledge gaps on tropical coral reef sharks and to suggest conservation measures for better management. First, a method to survey shark communities has been developed during this thesis, based on the collection and sequencing of DNA present in the environment (environmental DNA metabarcoding; eDNA). Then, this method has been compared to exhaustive surveys of reef shark communities with traditional methods. This quick and non-invasive approach detected at least 21 shark species in waters of two distinct biogeographical areas (Caribbean and New Caledonia). Moreover, diversity and abundance patterns of DNA reads match with anthropogenic impact gradients and protected status of the sampled areas. The analysis of 22 eDNA samples detected more species in both remote reefs and impacted areas of the New Caledonian archipelago than 2758 scientific dives conducted during nearly 30 years and 385 baited remote underwater videos deployed over two years. Then, population structure and connectivity of a more common reef shark species, Carcharhinus amblyrhynchos, have been characterized using a seascape genomics approach. This thesis is based on a substantial genetic sampling in the archipelago of New Caledonia but also in several other sites in the Indo-Pacific (515 sharks in total). An isolation-by-resistance approach using circuit theory has been developed to explore what parameters are driving the genetic differentiation of C. amblyrhynchos. Here I show that deep oceanic areas act as strong barriers and proximity to habitat is a facilitator for dispersal. High-resolution modelling of genetic differentiation at the entire distribution range of the species (Indo-Pacific) led to the definition of hierarchical conservation units and a high number of isolated sites. Then, an approach taking into account the decline of abundance in impacted reefs showed an important fragmentation of shark populations and allowed the identification of remote reefs as refuges but also sources through dispersal towards impacted areas, insuring population persistence at a regional scale. This thesis demonstrates the potential of eDNA analysis for unveiling the presence of rare and elusive species such as sharks and for filling knowledge gaps in the conservation status of sharks. It also reveals the persistence of residual populations in impacted areas, that could show behavioral alterations like shifts in habitat use towards deeper waters or increased nocturnality. Finally, this thesis not only describes the population structure of a near-threatened species at high resolution and global scale, but also identifies conservation units and areas of high conservation priority that could help in the near future for the spatialization of marine management at multiple scales

Les microbes sont affectés par les perturbations environnementales qui affectent la stabilité fonctionnelle des communautés microbiennes. Cependant, leurs réponses sont complexes, difficiles à élucider et les mécanismes de la stabilité fonctionnelle sont encore mal compris. Dans cette thèse, j'ai étudié les réponses microbiennes aux perturbations environnementales, des populations uniques aux communautés complexes. Dans le cas d'une population unique, nous avons étudié la réponse transcriptionnelle de populations bactériennes uniques dont la niche varie le long d'un gradient environnemental. Pour aborder les conséquences des perturbations au niveau de la communauté, nous avons établi et testé un protocole de cryoconservation de communautés microbiennes complexes afin d'améliorer la reproductibilité des études expérimentales avec des assemblages de communautés microbiennes aquatiques naturelles comme sources d'inoculum. En outre, nous avons exposé expérimentalement des communautés microbiennes aquatiques complexes à des perturbations pulsées afin d'étudier les conséquences de ces perturbations sur les changements structurels de la communauté et les paramètres fonctionnels généraux, tels que l'efficacité de la croissance bactérienne. Enfin, nous avons inspecté plus en détail les conséquences des perturbations pulsées sur les processus impliqués dans le cycle de l'azote. Au cours de cette thèse, je me suis particulièrement intéressé aux isolats et aux communautés provenant d'habitats aquatiques côtiers qui fournissent d'importants services écosystémiques
Microbes are impacted by environmental disturbances affecting the functional stability of microbial communities. However, their responses are complex, difficult to elucidate and the mechanics of functional stability are still poorly understood. In this thesis, I investigated microbial responses to environmental disturbances from single populations to complex communities. For the single population approach, we addressed the transcriptional response of single bacterial populations with varying niche breadths along an environmental gradient. To address the consequences of disturbances at the community level, we have established and tested a protocol for cryopreserving complex microbial communities to improve the replicability of experimental studies with natural microbial aquatic community assemblies as inoculum sources. Furthermore, we have experimentally exposed complex aquatic microbial communities to pulsed disturbances to study the consequences of such disturbances on community structural changes and broad functional parameters, such as bacterial growth efficiency. Finally, we have inspected in more detail the consequences of pulsed disturbances on processes involved in nitrogen cycling. During this thesis, I particularly focused on isolates and communities that originated from coastal aquatic habitats that provide important ecosystem services

Un des principaux enjeux de l’amélioration des plantes consiste aujourd’hui à faire face au changement climatique, en assurant un rendement élevé et plus stable dans des systèmes agricoles économes en intrants (eau, fertilisants) et respectueux de l’environnement. Les nouvelles variétés de blé devront non seulement être tolérantes aux stress hydriques et aux fortes températures, mais aussi continuer à être productives avec des apports limités en fertilisation, tout en maintenant une qualité du grain adaptés aux différents usages. De nouvelles méthodes de prédiction des réponses des blés à ces stress sont indispensables pour avancer dans cette direction. Dans ce travail, nous avons tout d’abord identifié les stress qui régissaient les interactions entre génotypes et les environnements (GxE) dans les essais considérés, puis développé un modèle génomique de l’adaptation à un stress environnemental (Factorial Regression genomic Best Linear Unbiased Prediction ou FR-gBLUP), en particulier pour le stress hydrique. En émettant l’hypothèse que plus des variétés de blés sont génétiquement proches, plus elles répondront de façon similaire à un stress environnemental donné, nous avons mesuré par validation croisée des gains de précision de prédiction par rapport à un modèle additif variant entre 3.5% et 15.4%. Des simulations complètent l’étude en démontrant que plus la part de variance expliquée par les réponses au stress considéré est importante, plus le modèle FR-gBLUP apporte un gain de précision. Pour prédire les réponses variétales à un stress particulier, les environnements doivent être finement caractérisés pour les stress limitant le développement des plantes. En nous intéressant plus particulièrement au stress azoté en France, nous avons établi des indicateurs de stress à partir d’un modèle de culture, et les avons comparés à des indicateurs classiques, tels que le type de conduite azotée ou l’azote disponible. Nous avons ainsi mis en évidence l’intérêt des modèles de culture pour caractériser les interactions GxE et pour prédire la réponse génomique au stress azoté, à condition que le signal d’interaction soit assez fort. Au-delà de l’application potentielle de ces méthodes pour la sélection ou la recommandation de variétés de blés plus adaptées ou plus résistantes au changement climatique, les résultats de ce travail démontrent aussi l’intérêt de la complémentarité des approches éco-physiologiques et génétiques
In a climate change context, assuring high and stable yield in more sustainable agricultural systems is a major challenge for plant breeding. We are aiming for future wheat varieties which will be heat and drought tolerant, and also productive in limited fertilization input environments. New prediction methods of the response to these stresses are needed to move forward. In this study, we first identified stresses that generated interactions between genotypes and environments (GxE) in our experimental trials and then developed a genomic model for adaptation to a particular environmental stress (Factorial Regression genomic Best Linear Unbiased Prediction ou FR-gBLUP), in our case drought. This model hypothesizes that the more individuals are genetically close, the more their response to a stress will resemble. We used cross-validations to measure prediction accuracy gains compared to an additive model and observed gains between 3.5% and 15.4%. Besides, simulation studies showed that the more the variance explained by the responses to the stress is important, the more the FR-gBLUP model will improve the additive model. Furthermore, fine characterization of the stresses limiting the plants’ growth is required to predict varietal responses to a particular stress. We focused on the particular case of nitrogen stress in France. By establishing crop model based stress indicators and comparing them to classical indicators, such as the management system or the available nitrogen, we pointed out the interest of crop model to characterize GxE interactions and to predict the genomic response to nitrogen stress, as long as the GxE interaction signal is strong enough. Beyond the potential applications of these methods for breeding or recommendation for varieties more adapted or tolerant to environmental stresses, this study also raises the interest of coupling eco-physiological and genetics approaches

Les plantes prélèvent des ressources dans leur environnement. Elles sont également exposées à de nombreux signaux, dont des molécules qui modifient profondément leur comportement et leur morphologie. La prédiction des flux de nutriments du sol vers la plante requiert une intégration de la régulation des flux par les signaux qui déterminent la cinétique des adaptations des plantes. Au cours de cette thèse, différentes approches expérimentales et analytiques (split-root, marquage isotopique, analyse racinaire) ont permis d’étudier le couplage signaux-flux dans les interactions entre plantes, microorganismes et vers de terre. Nous avons démontré dans un premier temps, que les vers de terre ont un effet systémique sur la croissance et le développement des plantes (Hordeum Vulgare L. et Oryza sativa L.) et que cet effet est dépendant de l’abondance des vers. Un travail méthodologique d’optimisation du dispositif split-root (séparation des racines d’une même plante entre deux compartiments) nous a permis d’améliorer la survie des plantes (Brachypodium distachyon L.) et leur émission de racines. Ce dispositif a été utilisé pour déterminer l’importance de la présence de turricules et de leur localisation spatiale sur le prélèvement d’azote par la plante. L’absence d’effet observé au cours de cette expérimentation nous a conduits à aborder les mécanismes pouvant survenir en présence de vers selon leur dimension temporelle. Nous avons ainsi démontré qu’une proportion importante de turricules entraîne une adaptation du système racinaire seulement lorsque la plante y est exposée pendant une durée suffisante. Ces résultats sont la première démonstration que la cinétique des différents mécanismes ayant lieu dans les turricules est déterminante pour expliquer l’effet positif des turricules sur la croissance des plantes
Plants take up resources in their environment. They are also exposed to many signals, including molecules that profoundly alter their behavior or morphology. The prediction of the flow of nutrients from the soil to the plant requires an integration of flux regulation by signals which determine the kinetics of plant adaptations. During this thesis, different experimental and analytical approaches (split-root, isotopic labeling, root analysis) allowed us to study the coupling between signals and flows in the interactions between plants, microorganisms and earthworms. We first demonstrated that earthworms have a systemic effect on the growth and development of plants (Hordeum Vulgare L. and Oryza sativa L.) and that this effect is dependent on the abundance of earthworms. A methodological study aiming at optimizing the split-root device (the sharing of roots of a single plant into two compartments) helped us to improve plant (Brachypodium distachyon L.) survival and their emission of roots. This experimental set up was used to determine the importance of the presence of casts and their spatial localization on the N uptake by the plant. The lack of effect observed during this experiment lead us to address the mechanisms that may occur in the presence of worms according to their temporal dynamics. We then demonstrated that an important proportion of casts was responsible for root system adaptation only when the plant was exposed to casts for a sufficient period of time. These results are the first demonstration that the kinetics of the different mechanisms occurring in casts is crucial to explain the positive effect of casts on plants growth

Les picoeucaryotes photosynthétiques (PPE) sont abondants dans tous les océans et constituent une part importante de la biomasse et de la production primaire. Les modèles climatiques prédisent une extension des zones oligotrophes dans les prochaines décennies ce qui pourrait fortement augmenter l'abondance et l'impact écologique des PPE. Parmi eux, la microalgue Pelagomonas calceolata (Stramenopiles/Pelagophyceae) est très largement répandue dans les océans (Worden et al., 2012) mais son rôle dans le cycle du carbone et son impact sur la chaine trophique restent méconnus (Dupont et al., 2015). Des analyses in situ et in vitro suggèrent que P. calceolata peut s'adapter aux variations environnementales grâce à une importante capacité de modulation de l'expression des gènes (Carradec et al., 2018 ; Dimier et al., 2009). L'objectif de cette thèse est de comprendre comment P. calceolata s'adapte aux variations environnementales des nombreux milieux qu'elle occupe. Dans le premier chapitre, le génome de P. calceolata est assemblé annoté puis comparé à ceux des autres PPEs. Grâce aux données de métagénomiques et métatranscriptomiques issues de l'expédition Tara Oceans, la biogéographie et de l'activité transcriptomique de P. calceolata dans les différentes conditions environnementales a permis de mieux comprendre la distribution présente et future de cette algue, et les gènes impliqués dans son succès écologique (Guérin et al 2022). Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes particulièrement intéressés aux capacités d'acclimatation de P. calceolata face aux changements de quantité et de source d'azote. Les gènes différentiellement exprimés (DEG) chez P. calceolata en fonction de la concentration en nitrate dans les échantillons Tara Oceans ont été comparés avec ceux identifiés lors d'expériences de croissance en conditions contrôlées. P. calceolata a été cultivé dans des milieux déplétés en nitrate ou dans lesquelles le nitrate a été remplacé par de l'ammonium, de l'urée ou du cyanate. La comparaison des DEG issus du laboratoire avec ceux issus des données environnementales permet de mieux comprendre le métabolisme de cette microalgue face au manque de nitrate, quels mécanismes sont mis en place dans l'environnement pour faire face à la variabilité de la disponibilité du nitrate, notamment par sa capacité à utiliser des sources d'azote organique. Dans le troisième chapitre, nous avons voulu mieux comprendre comment la profondeur impacte la physiologie de P. calceolata. En effet, on retrouve P. calceolata dans des échantillons d'eaux provenant de la surface et au moins jusqu'à 200m de profondeur. Nous avons constaté que la profondeur d'échantillonnage impactait fortement l'expression des gènes de P. calceolata impliqués dans la photorespiration et dans les mécanismes de concentration du carbone. Lors de cette thèse de doctorat, la caractérisation des capacités d'adaptation de P. calceolata a permis de mieux comprendre comment la régulation transcriptomique lui permet d'être cosmopolite, et montre que cette microalgue peut servir d'organisme modèle grâce à la possibilité de l'étudier simultanément en laboratoire et dans des données multi-omiques environnementales
Photosynthetic picoeukaryotes (PPE) are abundant in all oceans and represent a significant proportion of biomass and primary production. Climate models predict an extension of oligotrophic areas in the following decades, which could greatly increase the abundance and ecological impact of PPEs. Among them, the microalga Pelagomonas calceolata (Stramenopiles/Pelagophyceae) is widely distributed in the oceans (Worden et al., 2012) but its role in the carbon cycle and its impact on the trophic chain remain poorly characterised (Dupont et al., 2015). In situ and in vitro analyses suggest that P. calceolata can adapt to environmental variations thanks to a significant capacity to modulate gene expression (Carradec et al., 2018; Dimier et al., 2009). The aim of this thesis is to understand how P. calceolata adapts to environmental variations in the many environments it lives in. In the first chapter, the P. calceolata genome is assembled, annotated and compared with those of other PPEs. Thanks to metagenomic and metatranscriptomic data from the Tara Oceans expedition, the biogeography and transcriptomic activity of P. calceolata under different environmental conditions has provided a better understanding of the present and future distribution of this alga, and the genes involved in its ecological success (Guérin et al 2022). In the second chapter, we focused on the acclimatisation habilites of P. calceolata to changing nitrogen quantities and sources. Differentially expressed genes (DEGs) in P. calceolata as a function of nitrate concentration in Tara Oceans samples were compared with those identified during growth experiments under controlled conditions. P. calceolata was grown in media depleted in nitrate or in which nitrate was replaced by ammonium, urea or cyanate. The comparison of DEGs obtained in the laboratory with those obtained from environmental data provides a better understanding of the metabolism of this microalga in the face of nitrate shortage, and of the mechanisms put in place in the environment to cope with variability in nitrate availability, in particular through its ability to use organic nitrogen sources. In the third chapter, we aimed to better understand how depth affects the physiology of P. calceolata. P. calceolata is found in water samples from the surface down to a depth of at least 200m. We found that sampling depth had a strong impact on the expression of P. calceolata genes involved in photorespiration and carbon concentration mechanisms. During this PhD thesis, the characterisation of the adaptive capacities of P. calceolata led to a better understanding of how transcriptomic regulation enables it to be cosmopolitan, and shows that this microalga can be used as a model organism thanks to the possibility of studying it simultaneously in the laboratory and in environmental multi-omics data

L’objectif de cette thèse a été d’identifier des micro-organismes encore inconnus présents dans divers environnements et de caractériser certains de leurs métabolismes. Cette diversité non identifiée, à la fois taxonomique et fonctionnelle, est communément appelée matière noire microbienne. J’ai utilisé et développé de nouvelles méthodes de réseaux, et notamment des réseaux de similarité de séquences, afin d’exploiter de très grands jeux de données de séquences, issus de projets de métagénomique. En particulier, mon travail a mis en évidence le rôle écologique de micro-organismes ultra-petits dans certaines voies métaboliques autotrophes des océans. Il montre également que les CPR et DPANN, bactéries et archées ultra-petites récemment découvertes, participent à la dynamique des communautés microbiennes via des systèmes de quorum sensing homologues à ceux d’organismes mieux caractérisés. Une application des réseaux de similarité de séquences à des données de métabarcoding a également révélé une diversité jusque là inconnue d’Holozoa, qui pourrait nous permettre de mieux comprendre la transition vers la multicellularité des Metazoa. Enfin, j’ai développé une méthode et un logiciel destiné à la recherche d’homologues distants de protéines d’intérêt dans de très grands jeux de données, tels que ceux issus de la métagénomique. Cette méthode, maintenant validée, devrait permettre de rechercher des séquences appartenant à des organismes encore inconnus et très divergents, dans l’espoir de découvrir de nouveaux phylums profonds, voire même de nouveaux domaines du vivant
The objective of this thesis was to identify as yet unknown microorganisms present in various environments and to characterize some of their metabolisms. This unidentified diversity, both taxonomic and functional, is commonly referred to as microbial dark matter. I have used and developed new network methods, including sequence similarity networks, to exploit very large sequence datasets from metagenomic projects. In particular, my work has highlighted the ecological role of ultra-small micro-organisms in some autotrophic metabolic pathways in the oceans. It also shows that CPR and DPANN, recently discovered ultra-small bacteria and archaea, participate in the dynamics of microbial communities through quorum sensing systems similar to those of better characterized organisms. An application of sequence similarity networks to meta-barcoding data also revealed a previously unknown diversity of Holozoans, which could allow us to better understand the transition to multicellularity of Metazoans. Finally, I have developed a method and software for searching for remote homologs of proteins of interest in very large datasets, such as those from metagenomics. This method, now validated, should make it possible to search for sequences belonging to still unknown and very divergent organisms, in the hope of discovering new deep branching phyla, or even new domains of life

En forêt tropicale humide Amazonienne, les facteurs gouvernant l'évolution des espèces d'arbres restent peu connus et continuellement débattus. En particulier, les micro-variations environnementales attirent beaucoup d'attention car elles induisent de profondes modifications de structure et composition des communautés. Les variations micro-environnementales associées à la topographie ont couramment été évoquées comme facteur de radiations adaptatives chez les espèces d'arbres. Cependant, l'hypothèse de l'adaptation locale n'a jamais été testée au niveau intra-spécifique chez les arbres de forêt amazonienne alors que l'on sait que la diversité génétique des arbres tropicaux est couramment structurée à faibles échelles spatiales par des processus neutres (en particulier du fait de restrictions de flux de gènes). Dans cette étude, j'ai étudié le processus de différentiation génétique d'une espèce d'arbre (Eperua falcata, Fabaceae) dans les paysages forestiers de Guyane française grâce à la combinaison d'une approche phénotypique (génétique quantitative) et d'une approche moléculaire (génétique des populations). Je me suis attachée à répondre à trois questions principales : 1) Comment se distribue la diversité génétique dans les paysages forestiers de Guyane française ? 2) Quelles forces évolutives sont impliquées dans le processus de différentiation génétique à faible échelle spatiale ? 3) Est-ce que le processus d'adaptation locale contribue à structurer la diversité génétique à faible échelle spatiale ?

Les champignons sont des organismes hétérotrophes ubiquistes jouant des rôles pivots dans de nombreux écosystèmes (e.g. décomposeurs, symbiontes) et formant une lignée eucaryote majeure. Les Chytridiomycota constituent les branches basales du règne des Champignons, soit une position critique pour la compréhension de la radiation évolutive fongique. Or, ce groupe a été peu étudié, ce qui ne permet qu'une résolution partielle de ces relations évolutives. Ici, nous décrivons la diversité fongique, en ciblant principalement les Chytridiomycota via des analyses de génomique environnementale. Des échantillons de diverses natures ont été collectés au niveau de sources hydrothermales marines profondes qui sont connues pour être des hotspots de diversité, avec un fort taux d'endémisme. Pour l'analyse des séquences moléculaires obtenues, une base de données (PHYMYCO-DB) portant sur des marqueurs moléculaires fiables et dédiés à la phylogénie fongique, a été créée puis mise en ligne. Des outils moléculaires développés au cours de cette thèse ont permis de récupérer six phylotypes Chytridiomycota dont quatre produisent des branches non-décrites à ce jour. De plus, la diversité obtenue n'est pas limitée au clade des Opisthokonta (i.e. principalement les règnes des Animaux et des Champignons) puisqu'il a également été observé un phylotype Apusozoa et deux phylotypes ayant une position indéfinie à la base des Unikonta. Ces résultats offrent des perspectives pour la description de nouveaux organismes via le séquençage de génomes ou l'imagerie. Ces organismes sont également prometteurs pour la résolution des relations évolutives chez les Opisthokonta, les Unikonta, voire les Bikonta.

Campylobacter est l’agent pathogène zoonotique responsable de la majorité des gastro-entérites d’origine bactérienne chez l’homme. Les produits de volaille représentent la principale source d’infection; toutefois, l’exposition peut également découler de contacts directs avec les animaux ou avec l’eau. Une forte variation saisonnière est présente dans les cas rapportés, qui n’est toujours pas élucidée : les eaux environnementales, sources d’infection connues, sont soupçonnées. Cette étude transversale a été réalisée dans la région Sud-Est du Québec (Canada) où Campylobacter fut quantifié et génotypé à partir de différentes sources d’eau (eaux de captage, récréatives et usées) et de cas cliniques afin d’évaluer les risques potentiels posé par l’eau environnementale. Différents essais PCR en temps réel furent appliqués à l’eau environnementale et comparés: 2 ont été sélectionnés pour leur spécificité et sensibilité de quantification. Les courbes standards ont été calibrées en utilisant la PCR digitale pour déterminer précisément les concentrations. Les isolats environnementaux et cliniques furent comparés génétiquement en utilisant le CGF (« comparative genomic fingerprinting »). Les eaux usées étaient plus contaminées que les eaux de captage et récréatives (3.9Log, 1.7Log et 1.0Log cellules/L en moyenne, respectivement). Six pour cent des isolats d’eaux environnementales étaient génétiquement similaires (100 % homologie) aux isolats cliniques. Les cas cliniques de campylobactériose d’été montraient des isolats avec davantage de similarités génétiques avec les isolats retrouvés dans l’eau environnementale comparativement aux autres saisons (p<0.01). Les faibles concentrations et similarités génétiques entre les isolats d’eau et cliniques suggèrent un risque de transmission possible, mais faible.
Campylobacter is a zoonotic pathogen that is responsible for the majority of cases of bacterial gastroenteritis. Among the numerous Campylobacter transmission routes including direct contact, food and water, poultry consumption has been recognized as the major route. A strong seasonal variation in campylobacteriosis cases exists for reasons that are not well understood; environmental water is suspected to be involved. This cross-sectional study was conducted in the Southeastern region of Quebec (Canada), wherein Campylobacter from different waters (drinking water source, recreational and sewage) and clinical sources was quantified and genotyped in order to evaluate the potential risks posed by environmental water. Several real-time PCR assays were compared for specific application to environmental water: two were selected for their specificity and sensitivity of quantification. Standard curves were calibrated using digital PCR to accurately determine concentrations. Campylobacter isolates from clinical and water sources were genetically compared using CGF (comparative genomic fingerprinting). Sewage waters showed the highest Campylobacter concentrations, while drinking water source and recreational waters showed the lowest (average of 3.9Log, 1.7Log and 1.0Log cells/L, respectively). CGF revealed that 6% of water isolates were genetically similar (100% homology) to clinical isolates. Summer cases of campylobacteriosis revealed isolates showing more genetic similarities with environmental water isolates compared to other seasons (p<0.01). The low Campylobacter concentrations and genetic similarities between water and clinical isolates from the same region, suggests that these environmental waters pose a real, but low risk of transmission.