Transferts d’éléments conjugatifs et mobilisation d’ADN chromosomique dans une population de Streptomyces

Conjugative elements transferts and DNA mobilization in the Streptomyces population

• Auteur / Autrice : Caroline Choufa
• Direction : Pierre Leblond, Cyril Bontemps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique des génomes et adaptation microbienne (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Christine Citti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Leblond, Cyril Bontemps, Jean-Luc Pernodet, Hasna Boubakri
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Citti, Jean-Luc Pernodet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme -- Génétique

Transformation bactérienne

Recombinaison génétique

Îlots génomiques

Éléments génétiques mobiles

Génétique

Streptomyces

Mots clés libres

Population de Streptomyces

AICE

Transferts horizontaux

Conjugaison

Recombinaison

Métabolisme spécialisé

Streptomyces population

AICE

Horizontal transfers

Conjugation

Recombination

Specialized metabolism

Résumé

Les Streptomyces sont des bactéries ubiquistes des sols où elles interagissent avec les organismes environnants via un large répertoire de métabolites spécialisés. En étudiant une population rhizosphérique de Streptomyces (des souches de même espèce et isolées du même micro-habitat rhizosphérique), il a été montré que les flux de gènes massifs promeuvent une évolution rapide des individus, permettant leur diversification génétique et fonctionnelle dans le sol forestier. L'objectif de la recherche est de déterminer l'ampleur de ces flux de gènes au sein de la population et les mécanismes responsables des transferts. Les éléments conjugatifs, intégrés (ICE) ou plasmidiques, assurent leur propre transfert et stimulent celui d'ADN chromosomiques. Dans un premier temps, nous avons dressé l'inventaire des ICE spécifiques aux Actinomycetes (AICE) et caractérisé leur richesse, diversité et distribution au sein de la population. Nous avons montré que lors d'un événement de conjugaison unique, plusieurs éléments étaient mobilisés simultanément, et qu'une forte hétérogénéité des AICE était décelable dans la descendance. Afin de mesurer l'ampleur des transferts chromosomiques, nous avons réalisé des croisements entre isolats de la population, puis analysé la séquence du génome des recombinants. Au moyen du polymorphisme nucléotidique, nous avons pu identifier l'origine parentale de chaque segment du génome, et déterminer que la quantité d'information génétique acquise varie entre 1,5 et 35% de l'information totale répartie en plusieurs fragments distincts. Les transferts conjugatifs modifient profondément l'arsenal de gènes codant le métabolisme spécialisé (ex. antibiotiques). En effet, plus de 90% des recombinants se distinguent de leurs parents par les gènes de biosynthèse : gains, pertes, remplacements et recombinaisons. Nous montrons que plusieurs voies de biosynthèse entières (ca. 100 kb) peuvent être acquises par conjugaison. Ainsi, les transferts conjugatifs chez les Streptomyces permettraient de générer une forte diversité intra-populationnelle, diversité nécessaire pour faire émerger des individus plus adaptés, mais aussi pour assurer le partage des tâches au sein de la population dans leur environnement compétitif (sol). Ces résultats ouvrent également des perspectives biotechnologiques avec la possibilité de transferts et de diversification de voies de biosynthèse d'intérêts.

Streptomyces are ubiquitous bacteria in soils where they interact with surrounding organisms via a wide repertoire of specialized metabolites. By studying a rhizospheric population of Streptomyces, (strains of the same species and isolated from the same rhizospheric micro-habitat), it was shown that massive gene flows promote a rapid evolution of individuals, allowing their genetic and functional diversification in the forest soil. The objective of the research is to determine the magnitude of these gene flows within the population and the mechanisms responsible for the transfers. The conjugative elements, integrated (ICE) or plasmid, ensure their transfer and stimulate that of chromosomal DNA. First, we drew up an inventory of Actinomycetes-specific ICE (AICE) and characterized their richness, diversity, and distribution within the population. We showed that during a single conjugation event, several elements were mobilized simultaneously and that a strong heterogeneity of AICE was detectable in the progeny. To assess the extent of the chromosomal transfers, we performed crosses between isolates of the population and then analyzed the genome sequence of the recombinants. Using nucleotide polymorphism, we were able to identify the parental origin of each segment of the genome and determine that the amount of genetic information acquired varies between 1.5 and 35% of the total information splitted into several distinct fragments. Conjugative transfers profoundly modify the arsenal of genes encoding specialized metabolism (e.g., antibiotics). Indeed, more than 90% of recombinants are distinct from their parents by biosynthesis genes: gains, losses, replacements, and recombination. We show that several whole biosynthetic pathways (ca., 100 kb) can be acquired by conjugation. Thus, conjugative transfers in Streptomyces generate a strong intra-population diversity in a few generations, diversity necessary to raise more adapted individuals, but also to ensure the division of tasks among the population in their competitive environment (soil). These results also open biotechnological perspectives with the possibility of transfers and diversification of biosynthesis pathways of interest.