Approche moléculaire du cycle de vie des Radiolaires (Rhizaria)

Molecular insight into the sexual cycle of Radiolaria (Rhizaria)

• Auteur / Autrice : Iris Rizos
• Direction : Fabrice Not
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Adaptation et diversité en milieu marin (Roscoff, Finistère ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Florent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gwenaël Piganeau, Paraskevi Pitta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arthur Talman, Micah Dunthorn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protistes eucaryotes

Expression génique

Radiolaires

Biologie marine

Mots clés libres

Radiolaires

Cycles de vie

Transcriptomique single-cell

Protistes marins

Radiolaria

Life cycles

Single-Cell transcriptomics

Marine protists

Résumé

Le super-groupe des Rhizaria est l'un des plus diversifiés et le moins décrit parmi le monde microbien eucaryote. Bien que les rhizaires aient attiré l'attention des biologistes pendant plus d'un siècle, leur conservation fastidieuse en laboratoire a entravé une compréhension adéquate de leur cycle de vie. C'est le cas des Radiolaires, une lignée non cultivée d'amibes planctoniques marines à squelette minéral, qui a établi une symbiose réussie avec une diversité de microalgues au cours de son évolution et contribue de manière significative au cycle des nutriments dans l'océan mondial. À ce jour, la description des cycles de vie des radiolaires est fragmentaire et repose principalement sur les connaissances acquises dans les années 80-90. L'un des aspects clés qui reste énigmatique concerne la transition d'une génération à l'autre. Les observations accumulées sur le terrain ont conduit à la suggestion de diverses stratégies de recombinaison et reproduction pour les quatre groupes de radiolaires existants (Acantharia, Spumellaria, Nassellaria, Collodaria). Pour les Acanthaires, deux stratégies recombinatives présumées ont été proposées en fonction de la modalité de libération de petites cellules flagellées, appelées swarmers, impliquant ou non une étape intermédiaire sous forme de kyste. Les Collodaires peuvent passer d'un stade solitaire à un stade colonial, tandis que chez les Nassellaires et les Spumellaires, la production de swarmers n'a été observée que pour un nombre limité d'espèces. Il est supposé que le stade commun de swarmer est lié à la recombinaison sexuée. Néanmoins, à ce jour, la ploïdie des swarmers reste indéterminée et leur fusion n'a pas été documentée. Pour surmonter les obstacles actuels liés à l'étude des cycles de vie des radiolaires en culture, ma thèse combine des observations in situ sur des organismes vivants, l'analyse de nouveaux transcriptomes de cellules uniques et des analyses phylogénétiques de gènes de référence spécifiques aux gamètes. Plus particulièrement, je me concentre sur les stades de vie impliqués dans le cycle sexué hypothétique des Radiolaires en recherchant des gènes de référence des protistes impliqués dans les processus sexués, tels que la méiose et la fusion des gamètes, parmi les transcriptomes de stades de vie présumés méiotiques et gamétiques. Pour faire face à la proportion massive de données non référencées, j'ai utilisé des approches de réseaux de gènes pour identifier et annoter de novo les gènes spécifiquement enrichis à chaque stade de vie, révélant ainsi de nouvelles fonctions spécifiques à ces stades. Mes analyses mettent en évidence des gènes essentiels des gamètes parmi les swarmers des Radiolaires, ce qui suggère que les Radiolaires sont capables de recombinaison sexuée. Ces acteurs du répertoire génétique des gamètes, le gène HAP2/GCS1 et la famille de gènes KAR5-GEX1-BMBL, ont été intégrés dans un contexte évolutif pour décrire les variations de séquences spécifiques aux Radiolaires. Enfin, les gènes spécifiques des gamètes de Radiolaires ont été comparés à des bases de données méta-transcriptomiques afin d'estimer leur abondance dans l'environnement. L'intégration du cycle de vie des Radiolaires dans un cadre spatio-temporel permettra d'estimer leur durée de vie, d'améliorer la compréhension de l'écologie des Radiolaires à la résolution de chaque stade de leur cycle de vie, et d'élargir notre compréhension actuelle de la vie complexe et fascinante des rhizaires libres.

The super-group Rhizaria is one of the most diverse and least described among the eukaryotic microbial word. Even though rhizarians have captured biologists' attention for over a century, their tedious maintenance has hindered a proper comprehension of their life cycle. This is the case of Radiolaria, an uncultivated lineage of marine planktonic shell-bearing amoebas, that has established a successful symbiosis with a diversity of microalgae during its evolution and contributes significantly to nutrient cycling in the global ocean. Up to date, description of radiolarian life cycles is fragmentary and mainly based on knowledge acquired in the 80's-90's. One of the key aspects that remains enigmatic encompasses the transition from one generation to another. Accumulating observations on the field have led to suggest diverse recombinative and reproductive strategies for the 4 extant radiolarian groups (Acantharia, Spumellaria, Nassellaria, Collodaria). For Acantharia, two putative recombinative strategies were proposed relative to the release modality of small flagellated cells, called swarmers, involving or not an intermediate cyst stage. Collodaria can transit from solitary to colonial stages, while among Nassellaria and Spumellaria swarmer production has been witnessed only for a limited number of species. The common life stage of swarmers is hypothesised to be linked to sexual recombination. Nevertheless, up to date swarmer ploidy remains undetermined and their fusion undocumented. In order to overcome the current culture bottlenecks related to the study of radiolarian life cycles, my PhD combines live in situ observations, the analysis of novel single-cell transcriptomes and phylogenetic analyses of reference gamete-specific genes. More particularly, I focus on the life stages involved in the hypothetical sexual cycle of Radiolaria by searching for reference protist genes mediating sexual processes, like meiosis and gamete fusion, among single-cell transcriptomes of putative meiotic and gamete life stages. To cope with the massive proportion of unreferenced data, I have employed gene-network approaches to identify and annotate de novo genes enriched specifically in each life stage, thereby revealing novel life stage specific functions. My analyses highlight essential gamete genes among radiolarian swarmers, implying that radiolarians are capable of sexual recombination. Recovered sexual genetic toolkit actors, HAP2/GCS1 gene and KAR5-GEX1-BMBL gene family, were integrated in an evolutive context, for further describing radiolarian specific sequence variations. Finally, the recovered radiolarian gamete-specific genes were compared to meta-transcriptomic databases in order to estimate their abundance in the environment. Integrating the radiolarian life cycle within a spatiotemporal framework will enable the estimation of its lifespan, enhance the comprehension of radiolarian ecology at a finer life stage resolution and broaden our current understanding of the intricate and fascinating life of free-living rhizarians.