Rôles Adaptatifs Et Contraintes De La Sporulation Chez Les Microorganismes Associés Aux Plantes
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R^oles adaptatifs et contraintes de la sporulation chez les microorganismes associ´esaux plantes : cas de la sporulation in planta dans la symbiose actinorhizienne Frankia (Frankiaceae){Alnus (Betulaceae) Adrien C. Pozzi To cite this version: Adrien C. Pozzi. R^oles adaptatifs et contraintes de la sporulation chez les microorganismes associ´esaux plantes : cas de la sporulation in planta dans la symbiose actinorhizienne Frankia (Frankiaceae){Alnus (Betulaceae). Evolution [q-bio.PE]. Universit´eClaude Bernard - Lyon I, 2014. Fran¸cais. <NNT : 2014LYO10359>. <tel-01343317> HAL Id: tel-01343317 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01343317 Submitted on 12 Jul 2016 HAL is a multi-disciplinary open access L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´eeau d´ep^otet `ala diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´esou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d'enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸caisou ´etrangers,des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. No d'ordre : 359 – 2014 THÈSE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE LYON présentée devant L'UNIVERSITÉ CLAUDE BERNARD – LYON 1 École Doctorale ED 341 – E2M2 (Évolution, Écosystèmes, Microbiologie et Modélisation) Pour l'obtention du diplôme de doctorat Spécialité : Ecologie évolutive microbienne Discipline : Biologie Soutenue publiquement le 18 décembre 2014, par : M. ADRIEN C. POZZI RÔLES ADAPTATIFS ET CONTRAINTES DE LA SPORULATION CHEZ LES MICROORGANISMES ASSOCIÉS AUX PLANTES : CAS DE LA SPORULATION IN PLANTA DANS LA SYMBIOSE ACTINORHIZIENNE FRANKIA (FRANKIACEAE)–ALNUS (BETULACEAE). Sous la co-direction des Professeurs Mme MARIA P. FERNANDEZ et M. FRÉDÉRIC MENU Devant le Jury composé de Mme CÉLINE BROCHIER-ARMANET Professeure des Universités, UCBL, Lyon Présidente M. PHILIPPE DE LAJUDIE Directeur de Recherches, IRD, Montpellier Rapporteur M. CHRISTIAN STEINBERG Directeur de Recherches, INRA, Dijon Rapporteur M. SÉBASTIEN GOURBIÈRE Maître de Conférences, UPVD, Perpignan Examinateur M. FABIEN HALKETT Chargé de Recherches, INRA, Nancy Examinateur Mme MARIA P. FERNANDEZ Professeure des Universités, UCBL, Lyon Co-directrice M. FRÉDÉRIC MENU Professeur des Universités, UCBL, Lyon Co-directeur One theory to rule them all, One theory to find them, One theory to bring them all, And in the light of evolution bind them. Une théorie pour les gouverner tous-tes, Une théorie pour les trouver, Une théorie pour les réunir tous-tes, Et dans la lumière de l'évolution les lier.1 1 Un divertissement du titre de l'essai Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution de Theodosius Dobzhansky (1973) et de la formule gravée dans l'Anneau Unique du roman The Lord of the Rings de J. R. R. Tolkien (1954), dans l'intention de rendre hommage à tous-tes les chercheurs-euses de vérité. – A. C. Pozzi. 3 CITATION DES TRAVAUX, CONTACT ET IDENTIFICATION DE L’AUTEUR RÔLES ADAPTATIFS ET CONTRAINTES DE LA SPORULATION CHEZ LES MICROORGANISMES ASSOCIÉS AUX PLANTES : CAS DE LA SPORULATION IN PLANTA DANS LA SYMBIOSE ACTINORHIZIENNE FRANKIA (FRANKIACEAE)-ALNUS (BETULACEAE). M. ADRIEN C. POZZI Pour citer ce document dans sa totalité : Pozzi, A.C., Rôles adaptatifs et contraintes de la sporulation chez les microorganismes associés aux plantes : cas de la sporulation in planta dans la symbiose actinorhizienne Frankia (Frankiaceae)–Alnus (Betulaceae). 2014, Université Claude Bernard Lyon 1 : Lyon, France. p. 198. Pour citer spécifiquement le CHAPITRE 4 et l’ANNEXE A (qui ont fait l’objet de publications dans des journaux à comité de lecture) : x CHAPITRE 4 : Pozzi, A. C., H. H. Bautista-Guerrero, I. Nouioui, L. Cotin-Galvan, R. Pépin, P. Fournier, F. Menu, M. P. Fernandez and A. Herrera-Belaroussi (2015). In-planta sporulation phenotype: a major life history trait to understand the evolution of Alnus-infective Frankia strains. Environmental Microbiology 17(9): 3125- 3138. Doi: 10.1111/1462-2920.12644. x ANNEXE A : Cotin-Galvan, L., A. C. Pozzi, G. Schwob, P. Fournier, F. M.P. and A. Herrera-Belaroussi (2016). In-planta sporulation capacity enhances infectivity and rhizospheric competitiveness of Frankia strains. Microbes and Environments. 31(1): 11-18. Doi: 10.1264/jsme2.ME15090. Contact et identification de l’auteur : x Courriel : [email protected] ou [email protected]. x Internet : https://www.researchgate.net/profile/Adrien_Pozzi x ORCID : orcid.org/0000-0001-6765-4293. ResearcherID : G-3078-2011. 5 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier en tout premier lieu mes co-directeurs de thèse Maria Fernandez et Frédéric Menu, qui m'ont témoigné leur confiance et leur bienveillance en tous instants et qui ont fait de mon expérience de la thèse une aventure scientifique passionnante et surtout une expérience humaine extrêmement enrichissante. Je voudrais également particulièrement remercier MM. de Lajudie et Steinberg, rapporteurs du manuscrit de thèse et l'ensemble de membre du jury qui ont accepté d'évaluer mes travaux : Mme Brochier-Armanet, MM. S. Gourbière et F. Halkett. De nombreuses personnes ont contribué à la réalisation de ces travaux, que cela soit en participant directement aux (intenses !) campagnes d’échantillonnage et aux (longues !) déterminations phénotypiques, ou bien indirectement en créant un environnement accueillant par des discussions (pas toujours !) scientifiques. Il serait trop long d’évoquer ici tous ces moments qui font pourtant aussi partie de la recherche. Que chacun se sente profondément remercié. Enfin, je voudrais remercier mes parents, mon frère, ma compagne et mes amis, pour l’immense soutien que j’ai reçu de leur part sans discontinuer et le peu de rigueur qu’ils ont tenu de mon absence ou de mon éloignement. 7 TITRE, RESUME ET MOTS-CLES (FR) Titre (FR) Rôles adaptatifs et contraintes de la sporulation chez les microorganismes associés aux plantes : cas de la sporulation in planta dans la symbiose actinorhizienne Frankia (Frankiaceae)–Alnus (Betulaceae). Résumé (FR) Il a été montré que les variations environnementales ayant une influence sur le succès reproducteur des organismes exercent des pressions de sélection qui favorisent l'émergence et le maintien de stratégies de délais de développement. Ces stratégies comme la dormance, bien décrits chez les plantes et les insectes n'ont pas encore été étudiés dans une perspective évolutionniste chez les microorganismes. Nous avons donc proposé de comprendre à la lumière de l’évolution la variabilité intra- et inter-populationnelle d’une forme particulière de dormance : la sporulation asexuée des microorganismes. Nous avons choisi comme modèle biologique l'actinobactérie Frankia sp.– une bactérie gram- positive à haut-GC, fixatrice d’azote et capable de sporuler. Les nombreuses spores produites par ce microorganisme tellurique peuvent être assimilées à la production de descendants génétiquement identiques, dormants et de taille réduite, et permettraient respectivement l'accroissement du génotype parental, une meilleure survie aux conditions défavorables et une meilleure dispersion spatiale, comparé aux autres formes cellulaires de Frankia. Frankia sp. est une actinobactérie tellurique capable d'établir une symbiose racinaire (nodosité) avec les plantes actinorhiziennes dont celles du genre Alnus sp. (aulnes). Cette symbiose est habituellement décrite comme facultative (les partenaires peuvent vivre séparément) et mutualiste (échanges trophiques bénéfiques et réciproques). La morphologie et le développement de Frankia sp. sont complexes : (i) croissance hyphale de cellules filamenteuses actives, (ii) fixation de l’azote atmosphérique (N2) dans des cellules spécialisées (diazovésicules) et (iii) formation de sporanges multiloculaires contenant de très nombreux descendants dormants (spores). Seulement certaines souches de Frankia sont capables de sporuler in planta, ce qui est illustré par la présence (Sp+) ou l'absence (Sp–) de sporanges dans les cellules végétales de la nodosité. C’est à notre connaissance un cas unique de sporulation endophyte. Cependant la description de ce trait d’histoire de vie original était incomplète et l’interprétation écologique peu abordée, d’où la nécessité d’étudier ce trait à la lumière de l’évolution. 9 L’objectif général de cette thèse est donc d’initier une démarche pionnière à l’interface entre l’écologie microbienne et l’écologie évolutive. Guidés par le cadre théorique de l’évolution des traits d’histoire de vie en environnement variable, nous traitons généralement des délais de développement et de la dispersion spatiale des microorganismes, et en particulier des différentes formes de sporulation asexuée. Notre contribution à l’étude de la sporulation in planta (endophyte) des Frankia infectives de l’aulne intègre des approches théorique, descriptive et expérimentale, pour préciser (i) l’influence relative de la souche bactérienne, de l’espèce de la plante-hôte et des conditions pédoclimatiques sur le phénotype de sporulation in planta (Sp+ versus Sp–), (ii) le rôle de la variabilité environnementale sur la distribution, la diversité et la sélection des souches Sp+ et Sp–, ainsi que (iii) les coûts et bénéfices associés à la sporulation in planta, pour les deux partenaires de la symbiose. Nous avons démontré pour la première fois, à partir d’un très large échantillonnage que le phénotype Sp+ est un trait d'histoire de vie (i) spécifique de