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2017 Sujet de thèse: UMR 7144 Adaptation et Diversité en Milieu Marin Interactions microbiennes dans l'océan : Exploration métabolo-transcriptomique des associations entre la microalgue Emiliania huxleyi et les bactéries Directeur de thèse: Christian JEANTHON Email: [email protected] Co-directeur(s) titulaire(s) HDR: Co-directeur(s) non-titulaire(s) HDR: Colomban DE VARGAS ([email protected]) Equipe Evolution des Protistes et Ecosystèmes Pélagiques UMR Adaptation et Diversité en Milieu Marin Station Biologique Place Georges Teissier 29680 Roscoff Equipe: Equipe Procaryotes Phototrophes Marins UMR Adaptation et Diversité en Milieu Marin Station Biologique Place Georges Teissier 29680 Roscoff Publications récentes des directeurs de thèse avec leurs anciens doctorants: F. Lepelletier: - Lepelletier, F. et al. 2014. Protist 165:31-49. - Lepelletier, F. et al. 2014. Protist 165:230-244. - Blanquart, F. et al. 2016. Proc.R.Soc.B 283:20161870. D. Boeuf: - Bœuf, D. et al. 2013. FEMS Microbiol.Ecol. 85:417-432. - Boeuf, D. et al. 2014. Biogeosciences 11:3309-3322. - Bœuf, D. et al. 2015. Database doi: 10.1093/database/bav080. - Boeuf, D. et al. 2016. Front.Microbiol. 7:1584. K. Crenn: - Crenn, K. et al. 2016. Int.J.Syst.Evol.Microbiol. 66:4580-4588 - Not, F. et al. 2016. In The Marine Microbiome, L.J. Stal & M.S. Cretoiu (eds), Springer. N. Le Bescot: Le Bescot, N et al. 2015. Environ. Microbiol. 18:609-626 Pesant, S. et al. 2015. Sci Data 2:150023 N. Henry: De Vargas, C. et al. 2015. Science 348:126605 Lima-Mendez, G. et al. 2015. Science 348:126073 Mordret, S. et al. 2016. ISME J. 10:1424-1436 Descriptif du sujet de thèse et méthodes envisagées: Les bactéries et microalgues marines sont des acteurs-clés du fonctionnement des écosystèmes océaniques et leur contribution dans les cycles biogéochimiques majeurs est largement reconnue. L'association du phytoplancton avec les bactéries est ubiquitaire dans les océans. L'environnement immédiat des cellules phytoplanctoniques (ou phycosphère=surface de l'algue et son environnement immédiat) est considéré comme physiquement et chimiquement distinct de l'eau environnante favorisant des associations spécifiques. Ces relations pourraient ainsi instaurer une dynamique d'interactions dont le fonctionnement pourrait expliquer la complexité des réseaux trophiques marins. Dans ce contexte, l'étude du rôle des interactions existant entre bactéries et microalgues, qui constituent la base de ces réseaux, apparait donc essentielle. Principal représentant de la classe des coccolithophores, l'algue unicellulaire Emiliania huxleyi a colonisé la plupart des océans de la planète en à peine 300 000 ans. Sa prolifération rapide peut être à l'origine d'efflorescences planctoniques si vastes qu'elles sont alors visibles depuis l'espace. Ce modèle a été sélectionné car ces algues sont, d'une part, présentes de manière ubiquiste dans l'environnement marin et sont, d'autre part, facilement cultivées et donc disponibles dans les collections de culture. L'objectif général de la thèse sera de déterminer les différents types d'interactions exercés par des taxons bactériens associés à E. huxleyi et d'identifier les bases physiologiques qui expliquent leur robustesse et leur stabilité. Le premier axe des travaux aura donc pour but d'étudier le degré de spécificité et la nature des interactions existant entre E. huxleyi et ses bactéries associées. Ce travail sera réalisé en utilisant deux approches complémentaires. La première approche étudiera la diversité moléculaire des bactéries associées à un nombre représentatif de cultures d'E. huxleyi provenant d'environnements marins variés. Nous aurons accès à ces cultures via la collection de cultures de Roscoff (RCC, http://roscoff-culture-collection.org/) qui entretient plus de 1000 cultures de cette microalgue. La diversité bactérienne associée à ces cultures sera analysée par séquençage à haut débit des ARNs ribosomaux 16S. Le séquençage massif de gènes à partir d'échantillons de l'environnement permet aussi d'obtenir une représentation exhaustive de la diversité des micro-organismes. Nous détecterons donc également dans l'environnement marin les interactions existant entre E. huxleyi et les bactéries par l'analyse bioinformatique de réseaux de co-occurrence en utilisant les données méta-omiques (métabarcodes et métagénomes) obtenues pendant l'expédition Tara-Océans. Ces données, issues de l'exploration de la surface de l'Océan mondial (154 stations le long d'un périple de 150000 km représentant 35000 échantillons), permettront de déterminer l'importance de ces associations dans les différentes zones océaniques. Le deuxième axe des travaux aura pour but de comprendre la nature de ces associations et la capacité des partenaires à interagir (et donc à co-évoluer) dans les océans. Nous chercherons donc ici à mettre à jour de profondes modifications métaboliques liées aux interactions existant entre deux partenaires. Ces associations pourraient en effet avoir des propriétés collectives différentes de celles des deux partenaires individuels. Le deuxième axe sera basé sur l'étude de co-cultures de souches d'E. huxleyi axéniques (débarrassées de leur microflore) avec certaines de leurs bactéries associées. Les transcriptomes et les métabolomes des souches algales cultivées avec leurs bactéries seront analysés et comparés à ceux des cultures d'algues et de bactéries individuelles afin de mettre en évidence, respectivement, l'expression différentielle des gènes et les échanges de molécules/signaux médiés par les interactions chez et entre les partenaires. Les transcriptomes des cultures pourront être analysés au niveau populationnel mais également à l'échelle des cellules individuelles (single-cell) afin de mettre en évidence la variabilité d'expression pouvant exister entre les cellules à différents stades de la croissance. La comparaison des éventails de gènes sur- ou sous-exprimés dans les co-cultures et les cultures individuelles donneront des indications sur les bénéfices ou les coûts induits par les interactions cellulaires et permettront de déduire le type d'interactions existant entre les organismes. L'expression différentielle de certains gènes d'intérêt suggérée par la comparaison des transcriptomes sera validée par RT-qPCR. La complémentarité des approches alliant l'écologie microbienne, la bioinformatique et la chimie est prometteuse d'une avancée significative dans la compréhension des interactions microbiennes planctoniques. Elle permet d'envisager une compréhension taxonomique, métabolique et écosystémique profonde de leur structure, de leur dynamique et de leur évolution. Stratégie de publication: Les travaux des équipes d'accueil sont publiés dans des revues scientifiques à haut facteur d'impact et présentés (présentation orale ou poster) lors de congrès regroupant les spécialistes internationaux du domaine. Nous envisageons pour cette thèse au moins deux publications (voir l'échéancier prévu) dans des revues d'écologie microbienne comme par exemple Environmental Microbiology (IF=5.9) ou The ISME Journal (IF=9.3). Nous envisageons également au moins deux participations à des congrès internationaux (comme par exemple au Symposium of Aquatic Microbial Ecology qui a lieu tous les deux ans). Une participation à des congrès nationaux qui facilitent les présentations orales pour les étudiants (comme par exemple le congrès de l'Association Francophone d'Ecologie Microbienne qui a lieu tous les deux ans) peut également être envisagée. Réorientation possible du sujet si échecs: Le matériel (cultures de microalgues et données de métabarcodes) nécessaire à l'étude de diversité des bactéries associées à E. huxleyi (en cultures et dans l'environnement, respectivement) est disponible. Nous n'envisageons donc pas d'échec pour cette partie du travail (1ère année et demie). Nous n'avons identifié qu'un point de blocage éventuel. Il est lié à la détermination des volumes de co-cultures nécessaires pour la récolte des ARN totaux (analyse des transcriptomes des deux partenaires). Cependant, il a déjà été néanmoins levé au cours de la thèse de Klervi Crenn (soutenue en 2016). En effet, les méthodes mises au point au cours de cette thèse qui s'intéressait à la microflore épibionte d'une diatomée marine nous ont permis d'évaluer ces volumes et d'isoler des ARNs de bonne qualité et en quantité suffisante. Faisabilité sur 3 ans (échéancier): Année 1 a) Rédaction et présentation du projet devant le comité de thèse b) Etude de la diversité des bactéries associées aux cultures d'E. huxleyi (séquençage et analyse des séquences) c) Analyse de la diversité d'E. huxleyi et des bactéries associées à l'échelle océanique globale (analyse des données de Tara-Océans) Année 2 a) Analyse de la diversité d'E. huxleyi et des bactéries associées à l'échelle océanique globale (construction et analyse des réseaux d'interactions) b) Rédaction d'une première publication c) Etude transcriptomique et métabolomique des interactions E. huxleyi-bactéries (co-cultures/séquençage transcriptomes/analyses chimiques) Année 3 a) Etude transcriptomique et métabolomique des interactions E. huxleyi-bactéries (analyse des données) b) Rédaction d'une deuxième publication c) Rédaction du manuscrit de thèse Profil du candidat recherché: Le candidat devra avoir des compétences avérées en analyse de données et/ou bio-informatique, notamment pour l'analyse des données de transcriptomique issues des expériences de co-cultures 'algue-bactéries' et des données 'omics' générées par l'expédition Tara-Océans. Ces compétences incluent la maitrise des langages de programmation scripts (i.e., python, perl, R) et un intérêt pour la formalisation des questions biologiques. Il participera également aux expériences de biologie (co-cultures et récolte des ARN) en appui à une assistante-ingénieure spécialisée dans ces techniques. Il devra par ailleurs montrer une motivation certaine pour les questions d'écologie marine/aquatique et de microbiologie environnementale. Une très bonne maîtrise de l'anglais écrit et parlé est nécessaire.
