Évolution et dynamique du système di-symbiotique chez les pucerons du genre Cinara

Evolution and dynamic of di-symbiotic systems in Cinara aphids

• Auteur / Autrice : Jeff Rouil
• Direction : Emmanuelle Jousselin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Evolution des systèmes infectieux
• Date : Soutenance le 08/02/2023
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Biologie pour la Gestion des Populations - UMR CBGP (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Delsuc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Jousselin, Frédéric Delsuc, Yannick Outreman, Franck Dedeine, Alejandro Manzano-Marin, Natacha Kremer, Mathieu Sicard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick Outreman, Franck Dedeine

Mots clés

Mots clés libres

Bactérie

Intéraction interspécifique

Coévolution

Phylogénomique

Aphide

Endosymbiont

Bacteria

Phylogenomic

Aphid

Endosymbiont

Coevolution

Interspecific interaction

Résumé

Des systèmes pluri-symbiotiques ont été mis en évidence chez plusieurs espèces de pucerons (Hemiptera : Aphididae) et plus particulièrement chez les espèces du genre Cinara. La caractérisation taxonomique des symbiontes présents chez une soixantaine d'espèces de Cinara a permis de déterminer que Serratia symbiotica est la bactérie la plus fréquemment retrouvée comme symbionte secondaire obligatoire. De plus, la reconstruction de l'histoire évolutive des associations symbiotiques chez Cinara semble indiquer une acquisition ancestrale de Serratia symbiotica comme co-symbionte obligatoire, même si la présence d'autres bactéries chez certaines espèces indique que des évènements de remplacement ont eu lieu. L''analyse des génomes de souches de Serratia symbiotica ont montré que ces symbiontes possèdent des caractéristiques génomiques différentes et des variations de leur forme et de leur localisation dans des bactériocytes. Ces données semblent montrer un gradient de modifications dans le passage d'une bactérie facultative à une bactérie endosymbionte fixée sur lequel se trouve l'ensemble des co-symbiontes obligatoires des Cinara. Au cours de cette thèse, à l'aide d'approches de phylogénomique, nous avons décrit l'histoire évolutive de Serratia symbiotica et mis en évidence de multiples acquisitions indépendantes de cette bactérie comme co-symbionte obligatoire des Cinara. Ces transitions d'un mode de vie facultatif à obligatoire sont associées à des réductions de génome et de taux de G-C plus ou moins importantes selon les lignées, révélant l'ancienneté relative de l'association. Parmi les évènements d'acquisitions, nous avons montré que l'un d'entre eux avait conduit à une co-spéciation durant environ 20Ma des trois partenaires de la symbiose nutritionnelle (Cinara, Buchnera et Serratia). Dans ce clade, nous avons observé des structures cellulaires et des caractéristiques génomiques stables pour les deux co-symbiontes. De plus, l'analyse des taux de substitutions de chacun des partenaires a permis de décrire pour la première fois une évolution parallèle entre les deux symbiontes et leur hôte. L'analyse détaillée de la composition en gènes des bactéries co-symbiotiques de ce clade a mis en évidence une complémentation forte pour la production des nutriments nécessaires à l'hôte. De plus, l'analyse de l'ensemble de leurs gènes a révélé qu'une forte sélection purifiante s'exerce sur eux. Dans une autre partie, une approche expérimentale de quantification des symbiontes au cours de développement sur trois espèces de Cinara suggère une différence de capacité de régulation du co-symbionte Serratia. Cette différence est observée entre deux espèces de Cinara pour lesquelles les Serratia sont issues d'acquisition indépendantes et dans lesquelles sa localisation est différente. Finalement, une analyse de comparaison génomique sur des phages APSE (bactériophage intégré) présents dans les co-symbiontes de Cinara et procurant une défense contre les parasitoïdes a permis de décrire la diversité des APSE et de l'évolution de leur génome chez les pucerons. Cette analyse a aussi montré que les éléments mobiles pourraient jouer un rôle dans l'acquisition de nouveaux gènes dans la cassette de la toxine défensive. L'ensemble de ces travaux révèle un système pluri-symbiotique dynamique dans lequel le nouveau partenaire bactérien est régulièrement remplacé au cours de l'évolution.

The existence of multi-symbiotic systems has been demonstrated in several aphid species (Hemiptera: Aphididae) and more particularly in species of the genus Cinara. The taxonomic caracterisation of the symbionts present in about sixty species of Cinara has made it possible to determine that Serratia symbiotica is the most frequently found bacterium as an obligatory secondary symbiont. Furthermore, the reconstruction of the evolutionary history of symbiotic associations in Cinara species suggests an ancestral acquisition of Serratia symbiotica as an obligate co-symbiont, although the presence of other bacteria in some species indicates that replacement events have occurred. More recently, genome analysis of Serratia symbiotica strains associated have shown that these symbionts exhibit different genomic characteristics ranging and variations in their shape and localisation in bacteriocytes. These data seem to show a gradient of changes in the transition from a facultative life-style to obligate endosymbiont in which we observe all of the (now obligate) co-symbionts of Cinara. During this phd, using phylogenomics, we inferred the evolutionary history of Serratia symbiotica within Cinara and highlighted multiple independent acquisitions of this bacterium as a co-obligate symbiont of Cinara. These transitions from facultative to obligate life-style are associated with genome reductions and low G-C content that are more or less important depending on the lineage, revealing the relative age of the symbiotic association with Serratia. Among the inferred acquisition events, one in particular led to co-speciation over about 20 Ma of the three partners of the nutritional symbiosis (Cinara, Buchnera and Serratia). In this clade, we observed stable cellular and genomic structures with highly reduced genomes and low G-C content for both co-symbionts. Furthermore, the analysis of the substitution rates of each partner allowed us to describe for the first time a parallel evolution between the two symbionts and their host. Further analysis of the gene composition of the co-symbiotic bacteria in this clade revealed strong complementation for the production of nutrients required by the host. Furthermore, the analysis of their set of genes revealed that they are under strong purifying selection. In addition an experimental approach aimed at quantifying the symbionts during development on three Cinara species suggest that aphid species differ in their capacity to regulate the co-symbiont Serratia. This difference is observed between two Cinara species for which the Serratia originated from independent acquisitions and in which its localisation is different. Finally, a genomic comparison analysis on APSE phages (integrated bacteriophage) present in Cinara co-symbionts and providing defence against parasitoids allowed a description the diversity of APSEs and their genome evolution in aphids. This analysis also showed that mobile elements could play a role in the acquisition of new genes in the defensive toxin cassette. Altogether, this study reveals a dynamic multi-partner endosymbiosis where the new partner is recurrently replace.