UPThèses

Au cours du siècle dernier, la transition agro-industrielle a profondément modifié le mode de production agricole dans les pays développés, entrainant de nombreux impacts négatifs sur la biodiversité et le fonctionnement des agroécosystèmes. L’agroécologie a récemment émergé comme alternative à ce système de production. A l’interface entre discipline scientifique et pratiques agricoles, l’agroécologie se base sur le support et le maintien de processus écologiques d’intérêts. A travers une analyse bibliographique, nous avons mis en évidence le nombre relativement faible d’études écologiques dans les pratiques agroécologiques. Parmi ces dernières, peu de travaux lient pratiques et biodiversité. Nous avons également montré que les exploitations maraichères étaient sous-représentées, tandis que les micro-fermes étaient quasi inexistantes alors que les pratiques agroécologiques sont fréquentes dans ces deux environnements. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse qui vise à comprendre les impacts écologiques de la mise en place I/ de deux associations de cultures et II/ de la culture sur buttes dans un contexte de production de tomates en micro-fermes maraichères. En raison des propriétés biocides des composés soufrés identifiés chez les plantes du genre Allium et de la capacité des légumineuses à fixer l’azote atmosphérique dans leur racine à l’aide de bactéries symbiotiques, le poireau et le haricot valorisés en vente directe, ont été sélectionnés pour être associés à la tomate. Une expérimentation in situ a été réalisée sur deux sites du Sud-Ouest de la France en 2018 et 2019, pour évaluer les conséquences de la mise en place de ces pratiques sur les performances de la tomate en termes de croissance et de rendement, ainsi que sur les communautés de nématodes, bioindicateurs du fonctionnement du sol. Nos observations ont mis en évidence l’importance de l’historique de culture et de la qualité du sol dans la réponse des plantes et des organismes du sol à la mise en place de ces pratiques. L’analyse des communautés de nématodes nous a permis de mettre en évidence un enrichissement du sol en réponse à l’association haricot-tomate. La culture en association avec le poireau n’a eu que peu d’effets sur les communautés de nématodes, mais est liée à de meilleures performances végétales des tomates. La culture sur buttes n’a pas eu d’effet sur les performances de la tomate, malgré un enrichissement du sol visible à travers les communautés de nématodes, dominées par les bactérivores, et une plus grande abondance d’autres organismes du sol. Une interaction entre culture sur buttes et associations a été observée. Les effets de l’association haricot-tomate étaient d’autant moins marqués que le milieu était enrichi par la culture sur buttes. A l’inverse, l’effet positif de l’association avec le poireau semblait plus marqué avec une culture sur buttes. Une expérimentation en système simplifié a été effectuée pour évaluer le potentiel du poireau à contrôler l’un des ravageurs de la tomate, le nématode à galles Meloidogyne incognita. La présence du poireau n’a pas réduit l’infestation des racines de tomates par les nématodes mais a semblé inhiber leur reproduction. La croissance plus importante et la floraison précoce des tomates associées s’expliquent par une compétition entre plantes moins importante qu’en monoculture. Les résultats obtenus lors de cette thèse soutiennent ici l’importance de la prise en compte des organismes bioindicateurs dans l’étude du fonctionnement du sol. Ils apportent également des éléments sur les avantages respectifs de la mise en place des pratiques étudiées, notamment dans le service de biocontrôle, nous ont permis d’émettre l’hypothèse d’un effet de facilitation du poireau sur la croissance des tomates.

Les bactéries sont une composante indissociable des réseaux de distribution d’eau potable qui, en les colonisant, forment des communautés complexes. Il est émis l’hypothèse que des variations de structure et de composition de ce microbiome pourraient refléter des changements de la qualité de l’eau liés à différents phénomènes (stagnation, biocorrosion, changement de pression, ...). Une importante campagne de prélèvements menée sur le réseau d’eau potable de Paris a permis d’apprécier la dynamique de ces communautés bactériennes selon trois méthodes différentes : la description de la communauté par metabarcoding, la culture de la flore hétérotrophe totale et la quantification par PCR de trois pathogènes opportunistes, Mycobacterium spp. L. pneumophila, et P. aeruginosa. Cette étude a mis en évidence une certaine diversité au sein des communautés bactériennes de l’eau potable malgré une prédominance des genres Hyphomicrobium et Phreatobacter. Les méthodes de culture et de PCR quantitative mettent également à jour l’importance écologique du genre Mycobacterium. L’intégration aux analyses des paramètres spatio-temporels et physico-chimiques de l’eau potable a permis de constater une relative stabilité des communautés bactériennes. Cependant, suite à d’importants évènements climatiques, des variations dans la structure des communautés sont visibles sans conséquence sur la qualité sanitaire de l’eau. Ces travaux suggèrent que l’utilisation en parallèle de différentes méthodologies, et notamment l’apport du metabarcoding, permet d’améliorer la connaissance sur le réseau de distribution d’eau potable et de mieux observer des changements fins, invisibles aux méthodes classiques.

Les amibes libres sont des microorganismes unicellulaires eucaryotes dont l'écologie au sein des réseaux d'eau potable est mal connue. Les amibes libres représentent un enjeu de santé publique, du fait de leur capacité à favoriser la présence de bactéries potentiellement pathogènes, parmi lesquelles des mycobactéries. Une campagne de prélèvement menée sur le réseau d'eau potable de Paris a permis d'évaluer la diversité des amibes libres et de leur microbiome bactérien, par pyroséquençage ciblant les gènes ribosomaux (16S et 18S). Ces analyses ont suggéré la prédominance des genres Acanthamoeba, Vermamoeba, Echinamoeba et Protacanthamoeba. Le microbiome des amibes a révélé une grande diversité bactérienne, dominée par Pseudomonas, Stenotrophomonas, Bradyrhizobium, Sphingomonas et Pseudoxanthomonas. L'intégration des paramètres physicochimiques a permis de suggérer l'importance de l'origine de l'eau, la température, le pH et la concentration en chlore dans la dynamique des populations amibiennes. Une endosymbiose originale entre V. vermiformis et des bactéries du phylum TM6 a également été mise en évidence. Les amibes ont été fréquemment co-isolées avec des mycobactéries dans le réseau, principalement les espèces M. llatzerense et M. chelonae. Des expériences d'infection chez A. castellanii ont permis d'observer la capacité de ces mycobactéries à survivre et croitre en présence d'amibes. Par génomique comparative et analyses transcriptomiques, plusieurs facteurs de virulence, conservés entre M. llatzerense, M. chelonae et M. tuberculosis, ont été identifiés et sont surexprimés au cours de l'infection. Ces données suggérent leur implication dans la résistance à la prédation amibienne. L'ensemble de ces travaux a permis d'améliorer la connaissance des populations amibiennes et de leur microbiome au sein du réseau d'eau potable, apportant des éléments supplémentaires concernant leur implication dans la survie et la persistance des mycobactéries.

La présence de Wolbachia dans les ovogonies assure la transmission verticale de la bactérie à la descendance de l'hôte. Cependant, nous montrons que chez l'hôte Armadillidium vulgare, l'efficacité de l'infection des descendants tient à un enrichissement en Wolbachia au cours de la maturation des ovaires et des ovocytes dû à une sélection en faveur des ovocytes infectés et/ou à l'entrée secondaire de Wolbachia dans les ovocytes en cours de maturation via l'infection des tissus somatiques. Dans ces tissus, nous avons précisé la localisation de Wolbachia au niveau cellulaire et révélé des morphotypes typiques de chaque tissu. Nous avons également observé Wolbachia chez des hôtes très inattendus; des nématodes non filaires infectant les cloportes, posant la question d'une transmission horizontale, et les A. vulgare mâles, sans qu'ils soient féminisés. Etonnamment, nous avons observé l'infection des gonades mâles dans des lignées d'hôtes chez lesquelles les femelles sont infectées de manière cryptique mais sans que leurs ovocytes ne soient infectés. Le maintien de l'infection entre les générations d'hôtes pourrait alors être dû à une transmission paternelle, inédite pour Wolbachia, ou à une capacité de transmission horizontale très efficace de la bactérie. Par immersion de tissus directement dans des broyats d'organes infectés nous avons en effet démontré que Wolbachia infecte très rapidement des cellules de novo. Les mécanismes d'entrée de Wolbachia dans les cellules sont inconnus mais en monitorant des voies métaboliques clefs de l'hôte nos résultats montrent que l'infection entraine une réponse globale des tissus et implique notamment un détournement de la voie autophagique chez l'hôte.

Les interactions isopodes terrestres-Wolbachia féminisantes constituent un excellent modèle d'étude des interactions multipartites complexes. A ce jour, trois Wolbachia féminisantes, issues d'histoires évolutives différentes, ont été identifiées chez l'hôte Armadillidium vulgare. L'objectif de cette thèse est d'avoir une vue plus complète du microbiote d'A. vulgare et de l'impact des souches de Wolbachia sur cette communauté bactérienne. Dans ce but, des approches quantitative et métagénomique ont été combinées afin de caractériser le microbiote d'A.vulgare à plusieurs niveaux d'intégration: (i) dans des populations naturelles et des lignées contrôlées de laboratoire, (ii) au sein de différents tissus hôtes et (iii) en relation avec le statut d'infection par Wolbachia. Aucun microbiote coeur n'a été mis en évidence malgré une relative homogénéité des communautés symbiotiques dans les tissus de l'hôte. De plus, les bactéries environnementales avaient un impact important sur le microbiote symbiotique. Chez les animaux infectés, Wolbachia représente la bactérie dominante et le facteur majeur de la structuration de la communauté symbiotique. Nous avons également mis en évidence la présence d'un autre constituant majeur du microbiote dans tous les tissus de l'hôte: Candidatus Hepatoplasma crinochetorum, un symbiote facultatif réputé jusque-là pour être seulement associé aux glandes digestives de l'intestin. Afin d'éclairer les interactions potentielles entre hôte et ce symbiote relativement peu connu, la séquence du génome de Ca. H. crinochetorum a été obtenue. Une analyse préliminaire des interactions fonctionnelles des voies métaboliques impliquées dans la digestion de la cellulose nous a permis d'identifier des enzymes cellulolytiques spécifiques de l'hôte et du symbiote. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans l'étude de la symbiose chez les isopodes.

Les bactéries endosymbiotiques Wolbachia se transmettent verticalement de la mère aux descendants mais également horizontalement d'un hôte arthropode à l'autre. Chez les isopodes terrestres, les Wolbachia montrent une diversité et une prévalence élevées et bouleversent la reproduction de leurs hôtes en féminisant les mâles ou en induisant des incompatibilités de croisements. Nous avons utilisé la diversité de ces souches de Wolbachia pour étudier leur plasticité en terme de changement d'hôte et l'évolution de leur virulence. Nos résultats montrent la grande plasticité des Wolbachia, s'installant chez tous les hôtes testés. Par ailleurs, un transfert horizontal est possible à partir de différentes sources tissulaires : ovaires et hémocytes ainsi que lors de la prédation d'un individu infecté. De plus, les transferts horizontaux aux échelles intra comme interspécifique peuvent modifier la nature des interactions entre Wolbachia et leurs hôtes et mener à une relation de type hôte-pathogène. Ce type d'interaction a été spécifiquement exploré pour comprendre les mécanismes impliqués dans les changements de virulence. Nous avons démontré que la réponse autophagique de l'hôte contre Wolbachia pouvait jouer un rôle majeur dans la nature pathogène de l'interaction. De plus, par une approche d'évolution expérimentale, nous montrons que Wolbachia peut devenir pathogène pour son hôte natif chez qui elle est habituellement peu virulente. En détournant les Wolbachia de leur voie de transmission verticale et en les transmettant uniquement de manière horizontale, elles deviennent beaucoup plus invasives et tuent leur hôte.

Les éléments transposables (ET) sont l’une des principales forces guidant l’évolution des génomes. La présence de copies dégradées a permis de bien caractérisée la dynamique des ET eucaryotes. A contrario, chez les procaryotes, les ET sont considérés comme récents, ce qui complique l’étude de leur dynamique. Les séquences d’insertion (IS) sont les ET procaryotes les plus abondants. Les modèles prédisent que les IS, arrivés par transferts horizontaux, subissent une forte augmentation de leur nombre, puis sont éliminés. De plus, les modèles prédisent que les génomes des bactéries intracellulaires devraient avoir peu ou pas d’IS. Le séquençage des génomes de bactéries intracellulaires obligatoires, comme Wolbachia, a remis en cause les modèles, car certains ont une grande quantité d’IS. Notre travail portait sur l’étude des génomes de cinq souches de Wolbachia ayant des caractéristiques diverses. Nous avons réalisé une annotation détaillée des IS pour chaque génome et testé nos hypothèses basés issues de l'analyse in silico sur un panel de souches. Nous avons confirmé que les génomes de Wolbachia ont une forte abondance d’IS. La majorité des copies d’IS étaient dégradées, ce qui a permis d’étudier leur dynamique. L’activité passée des IS de Wolbachia n’a pas été constante au cours du temps avec des alternances de phases de forte activité et de quiescence. Les phases de forte activité doivent être précédées de transferts horizontaux, qui ont été expérimentalement détectés en abondance. Enfin, des analyses d’expression suggèrent que l'activité des IS n’est pas uniquement contrôlée par les éléments eux-mêmes, mais dépend également de l’environnement génomique des copies.

Wolbachia est une bactérie Gram(-) intracellulaire modifiant la reproduction de nombreux arthropodes. Chez l'isopode Armadillidium vulgare, la souche wVulC entraîne la féminisation des mâles. Nous avons caractérisé deux opérons vir s'exprimant dans tous les tissus hôtes et codant un système de sécrétion de type IV (T4SS) pouvant permettre d'exporter des effecteurs bactériens vers le cytoplasme de l'hôte. La comparaison des séquences et de l'organisation des gènes de 37 souches de Wolbachia a révélé la forte conservation des deux opérons vir suggérant l'importance du T4SS dans la biologie de la bactérie. Nous avons également identifié, dans le génome en cours de séquençage de wVulC, 66 gènes codant des protéines à domaines ankyrines. Ces motifs forment des sites d'interactions protéine-protéine chez les eucaryotes et sont supposés être impliqués chez Wolbachia dans l'interaction avec des protéines de l'hôte. Nous avons montré qu'une des trois copies du gène pk2 de wVulC, n'est exprimée que chez des souches féminisantes mais chez aucune des 3 souches induisant l'incompatibilité cytoplasmique chez les isopodes terrestres. Ce produit du gène pk2 pourrait être impliqué dans la féminisation de l'hôte. Toutefois, nous avons réalisé des tests d'interaction par double-hybride en levures et par la méthode CRAfT (Crerecombinase Reporter Assay for Translocation) entre les protéines du T4SS et cinq protéines à domaines ankyrines dont Pk2 afin de savoir si ces dernières étaient sécrétées par ce système. Les résultats montrent qu'aucun des cinq produits de gènes ank testés n'est sécrété par la bactérie mais se révèlent encourageants pour identifier les effecteurs de Wolbachia.