Potentiels physiologiques et métaboliques de communautés microbiennes de sédiments de subsurface : approches culturale, génomique et métagénomique

Physiological and metabolic potentials of subsurface sediments microbial communities : cultural, genomic and metagenomic approaches

• Auteur / Autrice : Frédéric Gaboyer
• Direction : Marc Le Romancer, Karine Alain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 18/09/2014
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de microbiologie des environnements extrêmes (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Jebbar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Le Romancer, Karine Alain, Mohamed Jebbar, Purificación López-García, Pascal Simonet, Bernard Ollivier, Didier Debroas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Purificación López-García, Pascal Simonet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie microbienne

Sédiments marins

Mots clés libres

Ecologie microbienne

Environnements extrêmes

Subsurface

Adaptation microbienne

Evolution microbienne

Physiologie microbienne

Génomes

Métagénomes

Microbial ecology

Extreme environments

Subsurface

Microbial adaptation

Microbial evolution

Microbial physiology

Genomes

Metagenomes

Résumé

Les communautés microbiennes de sédiments de subsurface ont été décrites jusqu’à 1922 mbsf (meters below the seafloor) et pourraient représenter 0,6% de la biomasse totale. Largement incultivées, ces communautés comprennent des groupes endémiques aux environnements de subsurface et des généralistes retrouvés dans des environnements contrastés, appartenant aux 3 domaines du vivant (Bacteria, Eukarya and Archaea). Bien que jouant un rôle majeur dans les grands cycles géochimiques, l’écologie microbienne des sédiments de subsurface reste peu connue. Les conditions hostiles de ces sédiments contrastent avec la présence d’activité et de viabilité microbiennes. Dans ce contexte, de nombreuses questions sur les modes de vie et les métabolismes des microorganismes enfouis demeurent. L’objectif de cette thèse était de mieux comprendre quelles stratégies adaptatives pouvaient être mises en place par les communautés microbiennes de subsurface et de caractériser leur potentiel physiologique. Pour cela, 3 approches ont été utilisées.(1) Une approche culturale a permis de décrire 2 nouvelles espèces bactériennes sédimentaires (Halomonas lionensis, ungénéraliste versatile, et Phaeobacter leonis, une bactérie marine typique). L’étude de la résistance aux conditions de subsurface de ces deux espèces et de la bactérie Sunxiuqinia faeciviva, isolée à 247 mbsf, a ensuite été étudiée. (2) Par une étude de génomique comparée et structurale, la plasticité physiologique de H. lionensis a été analysée. (3) Enfin, le potentiel fonctionnel de communautés microbiennes enfouies à 31 et 136 mbsf dans le bassin de Canterbury a été étudié, en analysant les 2métagénomes correspondants. Les résultats culturaux et génomiques montrent que H. lionensis et S. faeciviva résistent mieux aux stress de subsurface que P. leonis et, dans le cas de H. lionensis, ceci impliquerait des propriétés physiologiques variées pouvant expliquer le succès écologique du genre Halomonas. Les données de métagénomique indiquent que les diversités phylogénétique et fonctionnelle de subsurface du bassin de Canterbury sont distinctes de celles d’environnements de surface et suggèrent que des métabolismes comme la fermentation, la méthanogenèse ou la β-oxydation pourraient être importants. La présence de gènes d’importance écologique et évolutive a permis d’émettre des hypothèses sur les modes de vie de ces microorganismes et des évènements de recombinaison génomique de groupes toujours incultivés ont aussi pu être décrits

Microbial communities inhabiting marine subsurface sediments were described up to 1922 mbsf (meters below the sea floor) andcould represent 0.6% of the total biomass. This microbial diversity, remaining elusive to cultivation, comprises groups specific to subsurface environments and groups of generalists found in contrasted habitats, all belonging to the 3 domains of life (Bacteria,Eukarya and Archaea). Although playing a major role in global geochemical cycles, the microbial ecology of the subseafloor remains largely unknown. The hostile conditions of subsurface sediments contrast with the descriptions of microbial activity andviability in the subseafloor. In this context, many questions related to the microbial physiology and the lifestyles of buried communities remain to be answered. The objective of this thesis was to better understand which adaptive strategies could be deployed by subseafloor microbial communities and to characterize their physiological potential. In that aim, 3 approaches were used.(1) A cultural approach enabled describing 2 novel sedimentary bacterial species (Halomonas lionensis, a versatile generalist and Phaeobacter leonis a typical marine bacterium). The survival of these 2 species to subseafloor conditions and of the subsurface bacteria Sunxiuqinia faeciviva, isolated at 247 mbsf, was then studied. (2) Using a structural and comparative genomic approach, the physiological plasticity of H. lionensis was investigated. (3) Finally, the functional potential of the microbial communities buried at 31 and 136 mbsf in the Canterbury Basin was analyzed, by studying the 2 corresponding metagenomes. Cultural and genomics results showed that H. lionensis and S. faeciviva are more resistant to subsurface constrains than P. leonis and, in the case of H. lionensis, this may involve various physiological properties, maybe explaining thee cological success of the genus Halomonas. Metagenomic data showed that the functional and the phylogenetic diversity of the subseafloor are distinct from the ones from surface environments and highlighted the importance of metabolic pathways like fermentation, methanogenesis and β-oxidation. Genes of ecological and evolutionary interests enabled speculating about lifestyles of buried microorganisms and analyses of genomic fragments highlighted recombination events of still uncultivated microbial groups