Laboratoire Ampère
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Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1 Laboratoire Ampère Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005 Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale et Applications GéGène : Etude du rôle de la transformation génétique bactérienne médiée par électroporation naturelle (foudre) dans l’évolution globale du Génome et des Gènes de fonctions liées à la fitness chez les bactéries atmosphériques. Laboratoire : Ampère, UMR CNRS 5005 Domaine scientifique principal : Génomique microbienne environnementale, Domaine scientifique secondaire : Champs électriques/foudre. Mots clés (5 max) : Adaptation et évolution bactériennes, transfert de gènes, electroporation/foudre, nuages/pluie, maladie bactérienne des plantes. Directeurs de thèse et comité d’encadrement Directeur de thèse : Simonet Pascal – [email protected] (encadrant principal) Comité d’encadrement Demanèche Sandrine – [email protected] (co-encadrant et contact) Buret François (co-encadrant), Morris Cindy (INRA, co-encadrant) Départements concernés : Bio-ingénierie Groupes concernés : Génomique microbienne environnementale, Bio-élec. et Microsystèmes Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs : INRA Avignon (Dr Cindy Morris) Contexte Scientifique (5 lignes max) Le transfert horizontal de gènes constitue un des principaux mécanismes d’évolution chez les bactéries et est impliqué dans leur potentiel d’adaptation. La transformation génétique des bactéries par electroporation naturelle lors des orages pourrait être particulièrement importante pour permettre l’évolution des génomes des bactéries qui sont, du fait de leur présence dans les nuages directement sous l’influence de la foudre. La bactérie pathogène des plantes, P. syringae constitue un excellent modèle pour étudier l’implication de ces phénomènes sur le pouvoir pathogène. Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max) Le transfert horizontal de gènes constitue un des mécanismes majeurs d’évolution des génomes des bactéries, qui leur a permis de coloniser les différents écosystèmes de notre planète. Ces mécanismes sont toujours actifs de nos jours pour favoriser l’adaptation aux variations des conditions environnementales. Différents mécanismes moléculaires ont été identifiés pour favoriser les échanges de gènes entre taxons même phylogénétiquement éloignés, dont la conjugaison (implication de plasmides), la transduction (implication de bactériophages) et la transformation. Ce dernier mécanisme, quand il est génétiquement codé chez les bactéries capables de développer un stade de compétence, implique l’intégration par la cellule bactérienne d’ADN nu extracellulaire. Les chercheurs d’Ampère ont mis en évidence au début des années 2000 un mécanisme alternatif de transformation lié à la création de pores dans les enveloppes de la cellule bactérienne suite aux stimuli électriques produits lors de la décharge de foudre. Ainsi rendues « electro-compétentes », ces cellules bactériennes sont capables d’intégrer et pérenniser dans leur génome des gènes portés sur l’ADN extracellulaire présent dans leur environnement proche, mais aussi de récupérer directement l’ADN intracellulaire de cellules electro-compétentes dont les pores peuvent aussi permettre l’excrétion de l’ADN. Si l’implication de ces mécanismes abiotiques de transfert de gènes est nécessairement limitée dans le sol aux bactéries colonisant les zones soumises aux décharges de foudre, l’impact évolutif et adaptatif pourrait être beaucoup plus important chez les taxons bactériens colonisant naturellement l’atmosphère et en particulier les nuages où les conditions favorables à l’electroporation naturelle doivent se développer pendant des périodes de temps significatives au cours de l’année. Les équipes d’Ampère sont donc particulièrement intéressées à déterminer si les bactéries de ces écosystèmes présentent des potentialités spécifiques vis-à-vis de l’electroporation naturelle, mécanisme adaptatif qui aurait pu être sélectionné pendant l’évolution, quel rôle pourrait avoir ce mécanisme dans l’évolution de leur génome et en particulier sur certaines fonctions particulièrement impliquées dans la fitness (valeur adaptative). A ce titre, la bactérie Pseudomonas syringae constitue un modèle d’étude particulièrement pertinent par sa présence fréquente dans les nuages et son adaptation aux différentes étapes du cycle de l’eau. Ce travail sera réalisé en collaboration avec l’équipe du Dr Cindy Morris, chercheur INRA spécialiste des P. syringae à l’INRA d’Avignon. Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max) Le programme de recherche proposé est le suivant 1. Bibliographie et acquisition de compétences pour le travail au laboratoire de microbiologie. Mécanismes du transfert horizontal de gènes. Electroporation. Evolution des génomes. 2. Caractérisation des isolats de P. syringae disponibles dans les collections de l’INRA d’Avignon. Détermination du potentiel glaçogène, du potentiel d’électroporation et du potentiel pathogène des isolats en relation avec leur statut taxonomique et phylogénétique. 3. Détermination des potentialités de l’electroporation pour transférer les gènes adaptatifs entre isolats et de la modification de leur fitness. 4. Impact des chocs électriques occasionnés par l’electroporation répétée sur la survie et l’évolution des génomes des isolats de P. syringae. 5. Extension des expérimentations à d’autres souches bactériennes isolées dans les eaux de pluie (caractérisation taxonomique, tests de pathogénie, capacités glaçogènes et d’électrocompétence, … Profil du candidat recherché (prérequis) : Etudiant(e) possédant une solide formation en microbiologie Pasteurienne, écologie microbienne, génomique, microbiologie moléculaire, bioinformatique. Il ou elle devra démontrer un fort intérêt pour le travail interdisciplinaire, devra pouvoir s’intégrer dans des équipes différentes avec des ouvertures sur les plantes mais aussi l’atmosphère. Il ou elle devra être autonome, savoir prendre des initiatives, rédiger et présenter de manière synthétique. Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max) La personne recrutée pourra développer de nouvelles compétences dans différents champs disciplinaires, incluant la génomique microbienne environnementale, la pathologie végétale, la microbiologie mécanistique. Cette expérience devrait lui permettre de s’orienter par la suite vers des débouchés dans tous les champs de la microbiologie tant fondamentale qu’appliquée. Bibliographie sur le sujet de thèse Amato P, Ménager M, Sancelme M, Laj P, Mailhot G & Delort A-M (2005) Microbial population in cloud water at the Puy de Dôme: Implications for the chemistry of clouds. Atmospheric Environment 39: 4143–4153. Amato P, Parazols M, Sancelme M, Laj P, Mailhot G & Delort A-M (2007) Microorganisms isolated from the water phase of tropospheric clouds at the Puy de Dôme: major groups and growth abilities at low temperatures. FEMS Microbiology Ecology 59: 242–254. Bauer H, Giebl H, Hitzenberger R, Kasper-Giebl A, Reischl G, Zibuschka F & Puxbaum H (2003) Airborne bacteria as cloud condensation nuclei. J Geophys Res 108: 4658. Cérémonie H, Buret F, Simonet P & Vogel TM (2004) Isolation of lightning-competent soil bacteria. Appl Environ Microbiol 70: 6342–6346. Conen F, Morris CE, Leifeld J, Yakutin MV & Alewell C (2011) Biological residues define the ice nucleation properties of soil dust. Atmos Chem Phys 11: 9643–9648. Demaneche S, Bertolla F, Buret F, Nalin R, Sailland A, Auriol P, Vogel TM & Simonet P (2001) Laboratory-scale evidence for lightning-mediated gene transfer in soil. ApplEnvironMicrobiol 67: 3440–3444. Konstantinidis KT (2014) Do airborne microbes matter for atmospheric chemistry and cloud formation? Environ Microbiol 16: 1482–1484. Kourtev PS, Hill KA, Shepson PB & Konopka A (2011) Atmospheric cloud water contains a diverse bacterial community. Atmospheric Environment 45: 5399–5405. Morris CE, Georgakopoulos DG & Sands DC (2004) Ice nucleation active bacteria and their potential role in precipitation. Journal de Physique IV (Proceedings) 121: 87–103. Morris CE, Sands DC, Vinatzer BA, Glaux C, Guilbaud C, Buffière A, Yan S, Dominguez H & Thompson BM (2008) The life history of the plant pathogen Pseudomonas syringae is linked to the water cycle. ISME J 2: 321–334. Morris CE, Monteil CL & Berge O (2013) The life history of Pseudomonas syringae: linking agriculture to earth system processes. Annu Rev Phytopathol 51: 85–104. Morris CE, Conen F, Alex Huffman J, Phillips V, Pöschl U & Sands DC (2014) Bioprecipitation: a feedback cycle linking Earth history, ecosystem dynamics and land use through biological ice nucleators in the atmosphere. Glob Change Biol 20: 341–351. Vaïtilingom M, Attard E, Gaiani N, Sancelme M, Deguillaume L, Flossmann AI, Amato P & Delort A-M (2012) Long-term features of cloud microbiology at the puy de Dôme (France). Atmospheric Environment 56: 88–100.
