Les eucaryotes unicellulaires dans les écosystèmes lacustres : de la diversité fonctionnelle aux interactions hôte-parasites

Exploring microbial eukaryotes in lacustrine ecosystems : from functional diversity to host-parasite interactions

• Auteur / Autrice : Arthur Monjot
• Direction : Cécile Lepère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Microorganismes : Génome et environnement
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Carrias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Pelletier, Jean-François Briand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Domaizon, Aurélie Chambouvet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des lacs

Cellules eucaryotes

Mots clés libres

Eucaryotes unicellulaires

Génomique environmentale

Ecologie Microbienne

Diversité fonctionnelle

Interaction hôte-Parasite

Écosystèmes lacustres

Microbial eukaryotes

Environmental genomic

Microbial ecology

Functional diversity

Host-Parasite interaction

Lacustrine ecosystems

Résumé

Au cours des dernières décennies, notre compréhension de la diversité microbienne dans l'environnement a beaucoup progressé notamment avec l'avènement des méthodes de séquençage de nouvelle génération et les approches « -omics ». Leur application a notamment permis de s'affranchir des approches de mise en culture ne contribuant qu'à une évaluation partielle et orientée de la diversité microbienne. Le métabarcoding, basé sur l'étude d'un marqueur unique et ubiquiste, est la méthode la plus utilisée pour l'analyse de la diversité car elle permet une évaluation assez exhaustive des espèces présentes dans un écosystème. En milieu aquatique, elle a en effet permis la mise en évidence d'une diversité considérable et insoupçonnée d'eucaryotes unicellulaires. Toutefois cette approche, essentiellement descriptive, ne permet pas de déterminer la physiologie ni de comprendre le rôle de ces microorganismes dans les écosystèmes. D'autres méthodes, telles que la métatranscriptomique, offrent la possibilité d'étudier leur potentiel métabolique et d'en évaluer les variations en fonction de paramètres environnementaux. Néanmoins, ces approches de séquençage haut débit conduisent à la production d'une quantité colossale de séquences environnementales dont la majeure partie reste inconnue. Afin d'étudier le lien diversité-fonction au sein des eucaryotes unicellulaires et ainsi mieux comprendre leur rôle dans les réseaux trophiques lacustres, largement sous-étudiés en comparaison aux écosystèmes marins, plusieurs approches ont été utilisées.Du métabarcoding couplé à une étude de traits morpho-physio-phénotypiques, de la métatranscriptomique ainsi qu'une méthodologie basée sur l'isolement et la caractérisation de couples hôte-parasites (séquençage et hybridation in situ), ont été réalisés à partir d'échantillons lacustres (Pavin, méromictique ; Aydat, dimictique). Ces analyses ont révélé l'importante diversité des photo-osmo-phago-mixotrophes et des parasites tout en mettant en évidence les fortes variations saisonnières qu'ils subissent dans le mixolimnion du lac Pavin. Il semblerait, par exemple, que les périodes de brassage profitant aux communautés hôtes photosynthétiques favorisent le développement et la dissémination de champignons parasites notamment par la surexpression de gènes impliqués dans la phototaxie des zoospores et dans les métabolismes lipidiques. Parmi ces champignons parasites, les microsporidies sont des acteurs nouvellement identifiés dans les réseaux trophiques aquatiques. Nous avons en effet découvert avec une forte prévalence (42,5%) dans le lac d'Aydat, une association hôte-parasites entre une potentielle nouvelle espèce de microsporidie et une espèce de rotifère.Une importante biosphère rare a également été mise en évidence dans le monimolimnion anoxique du lac Pavin, caractérisée par de nombreux saprotrophes surexprimant des gènes liés aux métabolismes du soufre, du nitrate et de dégradation de la matière organique. Les métabolismes caractéristiques d'organismes de différents modes trophiques ont également été étudiés en réalisant une étude basée sur la construction de réseaux de similarité de séquences protéiques. Tout en caractérisant pour la première fois une majorité de séquences inconnues (>40%), nous avons révélé la proximité génétique de protéines entre microorganismes hétérotrophes et photo-osmo-phago-mixotrophes et entre saprotrophes et parasites, ainsi qu'une redondance fonctionnelle relative des métabolismes primaires. En revanche, nous avons identifié près d'un million de protéines caractéristiques d'un seul groupe fonctionnel qui, pour certaines, représentent de réelles perspectives d'étude des voies métaboliques impliquées dans les interactions hôte-parasites.

Over the last few decades, our understanding of microbial diversity in the environment has advanced considerably, particularly with the advent of next-generation sequencing methods and -omics approaches. These methods have allowed for a more comprehensive evaluation of microbial diversity compared to traditional culture-based approaches. The most commonly used method for analyzing diversity is metabarcoding, which is based on the study of a unique and ubiquitous marker. This method has revealed a considerable and unsuspected diversity of microbial eukaryotes in aquatic environments. However, this approach is mainly descriptive and does not allow for the determination of the physiology or understanding of the role of these microorganisms in ecosystems. Other methods, such as metatranscriptomics, offer the possibility of studying their metabolic potential in relation to environmental parameters. Nevertheless, these high-throughput sequencing approaches lead to the production of a vast quantity of environmental sequences, most of which remain unknown. To better understand the diversity-function link within microbial eukaryotes and their role in lacustrine trophic networks, several approaches have been used.Metabarcoding coupled with a study of morpho-physio-phenotypic traits, metatranscriptomics and a methodology based on the isolation and characterization of host-parasite pairs (sequencing and in situ hybridization), were carried out on lake samples (Pavin, meromictic; Aydat, dimictic). These analyses revealed the high diversity of photo-osmo-phago-mixotrophs and parasites, while also highlighting the strong seasonal variations they undergo in the mixolimnion of lake Pavin. For example, periods of mixing benefiting photosynthetic host communities favor the development and dissemination of parasitic fungi, notably through the overexpression of genes involved in zoospore phototaxis and lipid metabolism. Among these parasitic fungi, Microsporidia are newly identified players in aquatic food webs. Indeed, we discovered a high prevalence (42.5%) host-parasite association between a potential new species of Microsporidia and a species of rotifer in lake Aydat. An important rare biosphere has also been highlighted in the anoxic monimolimnion of Lake Pavin, characterized by numerous saprotrophs overexpressing genes related to sulfur, nitrate, and organic matter degradation metabolisms. The characteristic metabolisms of organisms of different trophic modes have also been studied by constructing protein sequences similarity networks.While characterizing the majority of unknown sequences for the first time (>40%), we have revealed the genetic proximity of proteins between heterotrophic and photo-osmo-phago- mixotrophic microorganisms and between saprotrophs and parasites, as well as a relative functional redundancy of primary metabolisms. On the other hand, we have identified nearly one million proteins characteristic of a single functional group, which, for some, represent real prospects for studying the metabolic pathways involved in host-parasite interactions.