Écologie microbienne de la biominéralisation intracellulaire du carbonate de calcium par Microcystis, une genre de cyanobactérie formant des efflorescences

Microbial ecology of intracellular calcium carbonate biomineralization by bloom-forming cyanobacteria Microcystis

• Auteur / Autrice : Juliette Gaëtan
• Direction : Karim Benzerara, Julie Leloup
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie, évolution et biologie environnementale
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Benedetti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Lyautey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Latour, Oleg S. Pokrovsky

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microbiologie de l'environnement

Microcystis

Biominéralisation

Expression génique

Solutions (chimie)

Cyanobactéries

Carbonate de calcium

Minéralisation (biologie)

Mots clés libres

Biominéralisation

Iacc

Microcystis

CaCO3

Bloom

Microbiologie environnementale

Microscopie électronique

Chimie des solutions

Expression de gènes

Biomineralisation

Iacc

Microcystis

CaCO3

Bloom

Environmental microbiology

Electronic microscopy

Résumé

Les cyanobactéries sont connues depuis longtemps comme des organismes photosynthétiques qui ont induit la formation de dépôts massifs de carbonate au cours des temps géologiques. On a longtemps pensé que le processus de biominéralisation était exclusivement extracellulaire et non contrôlé génétiquement. Cependant, la biominéralisation de carbonates de calcium amorphes intracellulaires (iACC) a été récemment découverte chez des cyanobactéries phylogénétiquement diverses. Ce processus de biominéralisation est lié à un gène orphelin, appelé ccyA, en plus de se produire intracellulairement et dans des conditions thermodynamiques défavorables. Le réservoir intracellulaire de C et de Ca ainsi formé a clairement une influence sur la biologie des cellules, mais nous ignorons sa fonction. En outre, l'importance de l'impact du processus biologique sur les cycles géochimiques reste inconnue. Microcystis est un genre de cyanobactérie présent dans les eaux douces et souvent impliqué dans des efflorescences toxiques. Ce genre a été intensément étudié pour les mécanismes moléculaires de la production de toxines, la diversité génétique de ses populations, et la dynamique et le déterminisme de ses efflorescences. Nous avons récemment détecté une diversité phénotypique et génotypique dans le genre Microcystis vis-à-vis de la biominéralisation d'iACC : plusieurs souches disponibles dans les collections de culture forment des iACC et contiennent le gène ccyA alors que d'autres n'en contiennent pas. C'est pourquoi nous proposons ici d'étudier la biominéralisation iACC dans le genre Microcystis comme un cas très original où un processus minéralogique peut influencer la dynamique et la structure génotypique de populations microbiennes et où, à son tour, cette dynamique de population peut avoir un impact sur le cycle géochimique du Ca. Plus spécifiquement, nous avons l'intention de déterminer si (i) la formation d'iACC est un phénomène répandu dans le genre Microcystis ; (ii) les iACC dans les populations de Microcystis constituent un réservoir géochimique important dans les écosystèmes d'eau douce soumis aux proliférations ; (iii) il existe une dynamique temporelle de ce réservoir de Ca liée à celle des cyanobactéries (iv) si le gène marqueur est exprimé dans Microcystis et (v) si d'autres acteurs moléculaires dans le processus de biominéralisation peuvent être identifiés en examinant la co-expression d'autres gènes avec celui de ccyA. Ce projet interdisciplinaire combine des approches de microbiologie, de transcriptomique, de géochimie des solutions et de minéralogie/microscopie.

Cyanobacteria have long been known as photosynthetic organisms which have induced the formation of massive carbonate deposits throughout geological times. It has long been thought that the biomineralization process was exclusively extracellular and not genetically controlled. However, the biomineralization of intracellular amorphous calcium carbonate (iACC) has been recently discovered in widespread and phylogenetically diverse cyanobacteria. In this case, biomineralization is related to an orphan gene called ccyA, in addition to occurring intracellularly and under out-of-equilibrium thermodynamic conditions. The so-formed intracellular reservoir of C and Ca clearly has an influence on the biology of the cells but we ignore its function. Moreover, the significance of the impact of the biological process on global geochemical cycles remains unknown. Microcystis is a cyanobacterial genus occurring in freshwater and often involved in toxic blooms. This genus has been intensely studied for the molecular mechanisms of toxin production, the genetic diversity of its populations, and the dynamics and determinism of its blooms. We recently detected a novel phenotypic and genotypic diversity in the Microcystis genus regarding intracellular biomineralization: several strains available in culture collections form iACC and contain ccyA while others do not. This is why we propose in this thesis to study iACC biomineralization in the Microcystis genus as a very original case where a mineralogical process may influence the dynamics and genotypic structure of microbial populations and in turn where these population dynamics may impact the geochemical cycle of Ca. More specifically, we intend to determine if (i) iACC formation is a widespread phenomenon in Microcystis genus; (ii) iACC in Microcystis populations make a significant geochemical reservoir in freshwater ecosystems experiencing blooming; (iii) there is a temporal dynamic of this Ca reservoir linked with that of cyanobacterial (iv) if the marker gene is expressed in Microcystis and (v) if other molecular actors in the biomineralization process can be pinpoint by looking at the co-expression of other gene with that of ccyA. This interdisciplinary project combines microbiology, transcriptomic, solution geochemistry, and mineralogy/microscopy approaches.