Les acides nucléiques environnementaux comme nouvel outil pour étudier les dynamiques hôte-pathogène en milieu naturel

Environmental nucleic acids as emerging tools for studying host-pathogen dynamics in nature

• Auteur / Autrice : Chiara Mercier larribe
• Direction : Olivier Rey, Géraldine Loot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interactions Hôtes-Pathogènes Environnements
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MIA - Micro-evolution of Interactions in the Anthropocene

Mots clés

Mots clés libres

Pathogènes

ADN environnemental

ARN environnemental

Dynamique temporelle

Environmental DNA

Pathogens

Environmental RNA

Temporal dynamics

Résumé

La détection des agents pathogènes en circulation dans les eaux douces est essentielle pour mieux comprendre l'impact des changements environnementaux sur la circulation des agents pathogènes et pour prévoir les épidémies potentielles, bien que cela reste très difficile. Ce projet de doctorat vise à améliorer la quantification et la détection des agents pathogènes associés aux écosystèmes d'eau douce en utilisant des approches basées sur les acides nucléiques environnementaux (c'est-à-dire les acides nucléiques environnementaux, y compris les ADN et les ARN), afin d'améliorer les outils de surveillance et les connaissances fondamentales associées à la circulation des agents pathogènes. Les agents pathogènes sont extrêmement difficiles à étudier dans des conditions naturelles, car ils sont souvent microscopiques, difficiles à identifier et souvent très dilués dans l'environnement. Les approches basées sur l'échantillonnage de l'ADN environnemental ont largement amélioré notre capacité à tracer les pathogènes dans la nature. Toutefois, des études récentes révèlent que 1) la quantité d'ADN de pathogène trouvée dans une zone donnée correspond souvent mal aux charges de pathogènes trouvées dans les hôtes et 2) les stades infectieux des pathogènes vivant en liberté sont souvent très dynamiques dans l'espace et dans le temps. Ces deux contraintes limitent actuellement l'utilisation de l'ADNe pour la mise en place de programmes de surveillance adéquats et, empêchent de prévoir les émergences futures, car il est encore complexe d'identifier les facteurs locaux qui favorisent les cycles des pathogènes. Plusieurs lacunes doivent être comblées avant de faire de l'ADNe un outil opérationnel pour le suivi de la dynamique hôte-pathogène dans la nature. Ce projet de doctorat vise à combler plusieurs de ces lacunes. Un premier objectif (O1) consistera à développer des approches basées sur la co-détection d'ADN et d'ARN à partir d'échantillons d'eau prélevés dans l'environnement afin de fournir des détails sur la circulation réelle des pathogènes (et des stades associés) dans l'environnement. Un deuxième objectif (O2) consistera à affiner la fenêtre spatio-temporelle de l'émergence des pathogènes, étant donné que de nombreuses interactions hôte-pathogène sont déterminées par des poussées de stades infectieux dans l'environnement qui sont encore difficiles à mettre en évidence. Le troisième objectif (O3) sera d'identifier les facteurs anthropogéniques locaux qui stimulent les cycles des pathogènes (et/ou des hôtes) et favorisent ainsi leur émergence en tant que maladie. Le projet se concentrera sur deux systèmes hôte-pathogène en eau douce : 1. Un myxozoaire pathogène émergent responsable du déclin des salmonidés en Europe (Tetracapsuloides bryosalmonae) qui alterne entre le poisson comme hôte intermédiaire (par exemple, Salmo trutta) et un bryozoaire comme hôte définitif (par exemple, Fredericella sultana, Plumatella emarginata) ; 2. un trématode associé au bétail et potentiellement zoonotique (Fasciola hepatica) qui réapparaît actuellement en France et qui présente un cycle de vie complexe utilisant successivement un vertébré comme hôte définitif (par exemple, les vaches, les humains) et un escargot aquatique comme hôte intermédiaire (par exemple, Galba truncatula). Ce projet aboutira à de nouveaux outils pour surveiller la circulation de certains pathogènes véhiculés par l'eau causant de graves dommages dans les stocks de poissons de loisir et de bétail en France et fournira de nouvelles connaissances écologiques sur leur dynamique spatio-temporelle. Les résultats obtenus seront valorisés sous forme d'articles scientifiques ainsi que de protocoles pratiques qui seront transférés aux institutions gestionnaires des milieux aquatiques (ex. OFB).

Detecting circulating pathogens in the freshwaters is key to better understand how environmental changes impact pathogen circulation and predict potential outbreaks, although this remains highly challenging. This PhD project aims at improving the quantification and detection of pathogens associated with freshwater ecosystems using approaches based on environmental nucleic acids (i.e. eNAs, including DNAs and RNAs), to improve surveillance tools and fundamental knowledge associated with the circulation of pathogens. Pathogens are extremely difficult to survey under natural conditions as they are often microscopic, hard to identify and often highly diluted in the environment. Approaches based on the sampling of eDNA have largely improved our ability to trace pathogens in the wild. However, recent investigations reveal that 1) the quantity of pathogen DNA found in a given area often poorly matches pathogen loads found in hosts and 2) the free-living infective stages of pathogens are often highly dynamic in space and time. These two limits currently restrain the use of eDNA for setting proper surveillance programs, and more importantly impede predictions for future emergence, as it is still complex to identify the local factors favoring pathogen cycles. There are hence several gaps of knowledge that need to be tackled before making eDNA an operational tool for monitoring host-pathogen dynamics in the wild. This PhD project aims to fill several of these gaps. A first objective (O1) will be to develop approaches based on the co-detection of DNAs and RNAs from environmental water samples to provide details onto the actual circulation of pathogens (and associated stages) in the environment. A second objective (O2) will be to refine the spatiotemporal window of pathogen emergence, as many host-pathogen interactions are driven by bursts of infectious stages in the environment that are yet difficult to reveal. The third objective (O3) will be to identify local anthropogenic factors that boost pathogen (and/or host) cycles, and hence favor their emergence as a disease. The project will focus on two freshwater host-pathogen systems: 1. An emerging Myxozoan pathogen responsible for the decline of salmonids in Europe (Tetracapsuloides bryosalmonae) which alternates between fish as intermediate host (e.g., Salmo trutta) and a bryozoan as definitive host (e.g., Fredericella sultana, Plumatella emarginata); 2. a livestock- associated and potentially zoonotic trematode (Fasciola hepatica) that currently re-emerge in France and that display a complex life-cycle successively using a vertebrate as definitive host (e.g., cows, humans) and an aquatic snail as intermediate host (e.g., Galba truncatula). This project will end up with new tools to monitor the circulation of some water-borne pathogens causing severe damages in the recreational fish and cattle stocks in France and provide new ecological knowledge on their spatiotemporal dynamics. The results obtained will be valorised in the form of scientific articles as well as practical protocols that will be transferred to institutions managing aquatic environments (e.g., OFB).