Le genre Mucor appartient au phylum des Mucoromycota, un groupe issu de l’une des lignées ayant divergé très tôt dans l'évolution des espèces fongiques (early diverging lineages). Ces groupes restent encore très peu connus par rapport aux Ascomycètes et Basidiomycètes. Le genre Mucor est un genre d'espèces saprophytes, avec cependant une certaine diversité au niveau du mode de vie. Il existe en effet au sein du genre, des endophytes de plantes (comme M. endophyticus) ou encore des pathogènes opportunistes d'animaux (comme les espèces thermophiles M. circinelloides ou M. indicus). Le genre est ubiquiste mais il existe des associations à certains habitats qui semblent dénoter une certaine spécialisation. L’objectif de cette thèse était de mieux connaître les potentialités génétiques du genre Mucor lui permettant ce mode de vie ubiquiste, son potentiel d'adaptation mais également de mieux comprendre l'existence au sein du genre d'espèces semblant s'être spécialisées en colonisant préférentiellement ou exclusivement certains habitats comme le fromage. Afin d'atteindre cet objectif des études transcriptomiques et génomiques comparées ont été menées dans le cadre de cette thèse, afin de déterminer les principales caractéristiques des génomes de Mucor aussi bien structurelles que fonctionnelles, identifier les similitudes au niveau des espèces étudiées et aussi leur spécificités et en fonction des modes de vie/habitats et déterminer s'il existe chez les espèces fréquemment rencontrées dans les fromages (et notamment pour celles considérées comme technologiques) des traces d'adaptation voire de domestication. / The genus Mucor belongs to the phylum Mucoromycota; a group that derived from the lineages that diverged early in the evolution of fungal species (early diverging lineages). These groups have been less well studied and are less well understood in comparison to Ascomycetes and Basidiomycetes. The genus Mucor is composed of saprophytic species, but also encompasses species with diverse lifestyles.For example, it includes plant endophytes (such as M. endophyticus) or opportunistic animal pathogens (such as the thermophilic species M. circinelloides or M. indicus). The genus is ubiquitous but there are some associations with specific habitats which seem to indicate specialisation. The aim of this thesis is to better understand the genetic potential of the genus Mucor in particular, to decipher how it maintains this ubiquitous lifestyle, its capacity to adapt to diverses habitats and to better understand the existence within the genus of species that may have undergone specialization allowing them to preferentially or exclusively colonise certain habitats, such as cheese. In order to achieve this, we have performed comparative transcriptomic and genomic studies in order to determine the main structural and functional characteristics of the Mucor genomes, identify similarities among the species studied and also assess whether there exist specific genetic associations with lifestyle/habitat and determine whether the species frequently found in cheese (in particular those species considered as technological) harbour imprints of adaptation or even domestication.

La fermentation œnologique et le vieillissement oxydatif des vins sous voile représentent des modes de vie très contrastés qui sont effectués par deux lignées différentes de souches de levures de l'espèce Saccharomyces cerevisiae. Dans cette thèse, nous avons comparé le génome de souches de levures de voile à celui de levures de vin afin de détecter leurs spécificités. Nous tout d'abord sélectionné 16 souches (8 levures de vin et 8 levures de voile) isolées en France, Hongrie, Italie et Espagne, pour séquencer leur génome sur une plateforme Illumina (HiSeq2000). Nous avons également développé un ensemble de souches de vin et de voile haploïdes pour l'évaluation moléculaire de différentes cibles. Nous avons également mis au point un milieu synthétique mimant le vin à cette fin. A partir de la comparaison des séquences du génome nous avons établi une phylogénie qui montre que les levures de voile représentent un groupe spécifique de levure, différentes des levures de vin, puis à partir de différentes méthodes (analyse en composantes principale, diversité nucléotidique et D de Tajima) nous avons identifié des régions divergentes. Ces régions variantes comprennent des gènes remplissant plusieurs fonctions clé associées à la croissance en voile. En particulier, des variations alléliques ont été rencontrées chez les levures de voile pour plusieurs gènes impliqués dans la régulation de l'expression de FLO11 tels que les voies MAP kinase, ou des voies Ras/cAMP/PKA, ainsi que pour plusieurs gènes impliqués dans l'homéostasie des cations divalents de métaux de transition tels que le zinc, le cuivre ou le fer. La comparaison des transcriptomes d'une levure de voile et d'une levure de vin sur notre milieu synthétique a révélé des différences d'expression pour les floculines (FLO1, 5, 8, 11) ainsi que pour le transport des hexoses, mais a également suggéré que la levure de voile P3-D5 était en situation de carence en zinc et en inositol par rapport à la levure de vin, tandis que la levure de vin K1 exprimait certains gènes suggérant des défauts mitochondriaux. L'impact de la variation allélique de plusieurs gènes a été évalué dans le phénotype de voile: le transporteur de zinc à haute affinité Zrt1 ainsi que la pyruvate décarboxylase majeure Pdc1. / Wine fermentation and flor ageing are performed by two groups of the yeast Saccharomyces cerevisiae, with very different lifestyles. In this thesis we have studied the genome of flor yeast in comparison to wine yeast in order to unravel their specificities. We have first selected 16 strains (8 wine and 8 flor) from France, Hungary, Italy and Spain in order to sequence their genome sequence on an Illumina HiSeq2000 platform. Three flor strains and two wine strains were haploidized in order to obtain a set of haploid flor strains for the molecular evaluation of different targets. We developed as well a synthetic media mimicking wine for that purpose. From the genome sequence we have drawn a phylogeny that showed that flor yeasts represent a specific lineage of yeast, different from the wine strains lineage, and identified divergent regions. These regions contain genes involved in key functions and several associated with velum growth. Remarkably, many genes involved in FLO11 regulation such as MAP kinase, or Ras/PKA pathways were mutated among flor strains and many variations were encountered in genes involved in metal homeostasis such as zinc and divalent metal transporters. A transcriptome analysis comparing one flor and one wine yeast on our wine synthetic media revealed expression differences associated to floculins and hexose transport, but also suggested that flor yeast P3-D5 face a zinc and inositol deficiency, whereas wine yeast K1 presented mitochondrial defects. The impact of allelic variation of several genes coding for the high affinity zinc transporter (ZRT1), and the major pyruvate decarboxylase (PDC1) has been evaluated in order to assess their role in the flor phenotype.

Ce travail a contribué à la compréhension des bases moléculaires de l'immunité de l'huître creuse par la caractérisation la diversité de trois effecteurs antimicrobiens de C. gigas et par l'appréhension du rôle de cette diversité dans les mécanismes de défense. Des analyses phylogénétiques de deux peptides antimicrobiens (AMPs), Cg-Défensines (Cg-Defs) et Cg-Proline rich peptide (Cg-Prp), et d'une protéine de type Bactericidal Permeability Increasing protein, Cg-BPI, nous a permis montrer la grande diversité pour les 2 AMPs, qui est générée par plusieurs mécanismes génétiques et par des pressions de sélection directionnelles, suggèrant une diversité fonctionnelle des variants. L'importance biologique de cette diversité a été étudiée pour trois variants de Cg-Defs. Une forte activité antimicrobienne a été mise en évidence contre les bactéries à Gram positive, mais celle-ci diffère selon les variants. De plus, nous avons démontré que le mécanisme d'action des Cg-Defs contre S. aureus repose sur l'inhibition de la biosynthèse du peptidoglycane par le piegeage de son précurseur, le lipide II. Finalement, l'expression des transcrits et la localisation de ces effecteurs en réponse à une infection par un Vibrio pathogène ont montré un réseau complexe des profils d'expression des différents antimicrobiens, au niveau des populations hémocytaires et des tissus d'huître, suggérant une interaction entre les antimicrobiens du fait de leur colocalization. La combinaison entre les familles ou entre les variants d'une même famille produit de fortes activités synergiques qui élargissent les spectres d'activité. Ainsi, la diversité produit par la coévolution entre hôte et pathogènes pourrait améliorer l'activité des AMPs d'huître, lui conférant une plus grande protection contre les pathogènes de son environnement. / This work contributed to the knowledge of the molecular bases of oyster immunity by the characterization of the diversity of three antimicrobials of C. gigas and the understanding of the role played by their diversity in the oyster antimicrobial response. Phylogenetic analyses of two antimicrobial peptides (AMPs), Cg-Defensins (Cg-Defs) and Cg-Proline rich peptide (Cg-Prp), and one Bactericidal Permeability Increasing protein, Cg-BPI, led us to the identification of a high diversity for both AMPs. Further analyses showed that this diversity is generated by gene duplication, allelic recombination and directional selection pressures, suggesting their functional diversification. The biological meaning of AMP diversity was investigated for the three major variants of Cg-Defs, which revealed a strong but variable potency against Gram-positive bacteria. We evidenced that oyster defensins kill S. aureus through binding to the cell wall precursor lipid II, resulting in the inhibition of peptidoglycan biosynthesis. Finally, transcript expression and localization of oyster antimicrobials after a pathogenic infection evidenced a complex network in their expression profiles in hemocyte populations and oyster tissues, suggesting a potential interplay between antimicrobials as a result of their colocalization. Indeed, the combination of oyster antimicrobials produced strong synergistic activities that enlarged their antimicrobial spectra. Thus, the diversity of oyster antimicrobials may provide significant means in acquiring functional divergence, probably concerned in the evolutionary arms race between hosts and their pathogens.From our data, it would provide oysters with a higher protection against the potential pathogens from their environment.

Résumé : Saccharomyces cerevisiae, utilisée depuis des millénaires pour la fermentation du vin du fait de son endurance et de ses qualités inégalables, est de nos jours largement utilisée pour inoculer les mouts de raisin. Néanmoins, lors de l'inoculation, les souches oenologiques doivent faire face à des stress spécifiques qui peuvent compromettre le début de la fermentation. L’objectif de ce travail est d'élucider les bases métaboliques et moléculaires de la résistance multi-stress pendant la phase de latence en conditions oenologiques. Nous avons tout d'abord caractérisé un ensemble de levures oenologiques en mettant l'accent sur des facteurs de stress caractéristiques des vins rouges et des vins blancs. La température et le stress osmotique affectent fortement cette phase pour toutes les souches, alors que le SO2, les lipides et la thiamine ont un effet souche-dépendant. Ces données ont servi de base à deux approches parallèles. Une approche d'évolution expérimentale a permis, en appliquant des pressions sélectives caractéristiques de la phase de latence, de sélectionner des souches évoluées présentant une phase de latence plus courte. Plusieurs mutations de novo potentiellement impliquées dans le phénotype évolué ont été identifiées par séquençage de leur génome. En parallèle, une approche QTL combinant des croisements inter-souches, une étape de propagation industrielle et séchage des descendants, et la sélection de cellules bourgeonnantes par FACS a été développée. Ces deux stratégies ont permis d’identifier plusieurs variants alléliques impliqués dans la paroi cellulaire, le transport du glucose, le cycle cellulaire et la résistance au stress, jouant un rôle potentiellement important pendant la phase de latence. L’ensemble de ces résultats apporte de nouvelles connaissances sur la diversité et les bases génétiques de l'adaptation des levures à la phase de latence oenologique et offre un cadre d’amélioration des propriétés des souches. De plus, nous avons montré que K. marxianus a un potentiel pour des cultures mixtes et des contributions aromatiques positives en conditions oenologiques, ouvrant de nouvelles possibilités pour des études ultérieures.Titre : Résistance au stress lors de la phase de latence en fermentation oenologique et développement de levures optimiséesMots clés : Fermentation oenologique, levure, phase de latence, résistance multi-stress, QTL, évolution adaptative, K. marxianus / Abstract: Saccharomyces cerevisiae has been used for millennia to perform wine fermentation due to its endurance and unmatched qualities and is nowadays widely used as wine yeast starter. Nevertheless, at the moment of inoculation, wine yeasts must cope with specific stress factors that can compromise the fermentation start. The objective of this work was to elucidate the metabolic and molecular bases of multi-stress resistance during wine fermentation lag phase. We first characterized a set of commercialized wine yeast strains by focusing on stress factors typically found at this stage in red wines and in white wines. Temperature and osmotic stress had a drastic impact in lag phase for all strains whereas SO2, low lipids and thiamine had a more strain dependent effect. Based on these data, we developed two parallel approaches. Using an evolutionary engineering approach where selective pressures typically present in lag phase were applied, we obtained evolved strains with a shorter lag phase in winemaking conditions. Whole genome sequencing allowed to identify several de novo mutations potentially involved in the evolved phenotype. In parallel, a QTL mapping approach was conducted, combining an intercross strategy, industrial propagation and drying of the progeny populations and selection of the first budding cells by FACS. Both strategies allowed the identification of several allelic variants involved in cell wall, glucose transport, cell cycle and stress resistance, as important in lag phase phenotype. Overall, these results provide a deeper knowledge of the diversity and the genetic bases of yeast adaptation to wine fermentation lag phase and a framework for improving yeast lag phase. Additionally, we showed that K. marxianus has potential for mixed cultures and positive aromatic contributions under oenological conditions, opening new possibilities for further studies.Title: Stress resistance during the lag phase of wine fermentation and development of optimized yeastsKeywords: Wine fermentation, yeast, lag phase, multi-stress resistance, QTL, adaptive evolution, K. marxianus

Les micro-organismes ont la capacité de s'adapter rapidement aux différentes contraintes environnementales ou métaboliques, mais le mécanisme détaillé et les principes de cette réponse adaptative en micro-organisme sont mal compris aux niveaux génétiques, biochimiques et métaboliques. Ici, une souche de E. coli a évolué avec un titre élevé de 1,3-propanediol a été sélectionné et cette souche a été analysée comme un exemple pour la découverte de ce processus d'évolution adaptative. La technologie de séquençage comparatif du génome entier a été utilisée pour identifier les mutations génétiques dans le chromosome et le plasmide portant les gènes codant pour la voie de production de 1,3-propanediol a également été séquencée. Quatre mutations ont été trouvées dans le chromosome et ils sont Ipd, glpR, dhak, nagD - promoteur. Une mutation a été trouvée dans le gène GGP2, qui est situé dans le plasmide. Toutes les mutations ont été en outre caractérisées par analyse génétique et inverse biochimique et leur influence dans le réseau métabolique sont aussi découverts. Nous avons démontré que tous les cinq mutations individuellement peuvent augmenter le taux de croissance et la production de 1,3 -propanediol. Selon le profil de fermentation de la souche évolué, l’accumulation d'acétate entravé la croissance de la souche et de l'augmentation de 1,3-propanediol titre. Pour optimiser la production de 1,3- propanediol, un nouveau catalyseur a été développé pour la co-production de 1,3-propanediol avec de l'acétone au lieu de l'acétate, parce que l'acétone a une plus grande valeur et est moins toxique que l'acétate. Les deux voies de l'acétate, dépendantes et indépendantes, ont été testées pour la co-production de 1,3-propanediol et l'acétone dans des conditions anaérobies. Pour la voie de l'acétate dépendante, en modifiant le niveau d'expression de l'acétate kinase cette voie était active dans des conditions anaérobies dans E. coli. Pour la voie de l'acétate indépendant, une courte chaîne acyl-CoA thioestérase candidat a été sélectionné et caractérisé, mais son activité doit encore être améliorée en utilisant l'évolution adaptative ou la sélection in vitro. Pour l'évolution adaptative, le réseau métabolique était rationnel conçu pour forcer de flux de carbone à la production d'acétone, ce qui va augmenter la possibilité et l'efficacité de la sélection d'une thioestérase avec une affinité et une activité élevée à l'acétoacétyl -CoA au cours du processus d’évolution adaptative. Pour la sélection in vitro, un système de bio-sensor a été développé afin de simplifier la méthode de sélection d'une thioestérase mutant avec une grande capacité de catalyser l'acétoacétyl -CoA in vitro. / Microorganisms have the ability to adapt rapidly to different environmental or metabolic constraints, but the detailed mechanism and the principles of this adaptive response in microorganism is poorly understood at the genetic, biochemical, and metabolic levels. Here, the glycerol pathway from S. cerevisiae and the B12-independent C. butyricum 1,3-PD pathways were introduced into E. coli and its central metabolic network was restructured to couple the production of 1.3-propanediol to the growth of the microorganism. This strain was grown in conditions favouring adaptive evolution for around 1000 hours. An evolved population was selected under optimal conditions in mineral medium. Comparing with the original strain, it can convert glucose to 1.3-PD at high molar yield (94 %) and its productivity was also significantly increased. Comparative whole genome sequencing technology was used to identify the genetic mutations and five mutating genes lpd, glpR, dhaK, nagD and GPP2 were discovered. All the mutations were further analysed and characterized to disclose their changes after the evolution and to elucidate their influence in the whole metabolic engineering network. To optimize the production of 1.3-PD further, we plan to convert the co-production of acetate to acetone. Indeed, the 1.3 propanediol production was hampered by the acetate inhibition on growth, and acetone is a valuable product which is less toxic thyan acetate. Both the acetate-dependent and independent pathways were tested to produce acetone and some modifications to adapt the global metabolic network were performed. Several strategies were applied to ameliorate the performance of acetone production. Finally, the bottleneck of the acetate-dependent acetone pathway under anaerobic condition was indentify and the acetate-independent acetone pathway still need to be improve with the selection of an evolved or mutant enzyme with high short-chain acyl-CoA thioesterase activity.

L’origine de la variabilité phénotypique est un sujet très débattu depuis les théories de Lamarck et Darwin. Dans la vision contemporaine de l’évolution adaptative, il est communément admis que la seule source héritable de variabilité phénotypique soit d’origine génétique. Le phénotype est alors le produit du génotype sous l’influence de l’environnement. La mutation aléatoire des séquences d’ADN permet de générer de nouveaux variants phénotypiques qui sont alors soumis à la sélection naturelle. Traditionnellement, il est considéré que les caractères acquis par un individu durant sa vie, en réponse à l’environnement, ne sont pas héritables et ne jouent aucun rôle évolutif. Pourtant, il y a presque un siècle, un biologiste allemand du nom de Victor Jollos a mis en évidence que certains phénotypes peuvent être induits par des conditions environnementales particulières et persister durant quelques générations en l’absence du stimulus initial avant de disparaître progressivement. Il nomma ce phénomène Dauermodifikations, littéralement « modifications de longue durée ». Ses conclusions allaient à contre-courant des conceptions évolutives de son temps, et ont été considérées comme des artéfacts expérimentaux. Toutefois, nous sommes maintenant conscient qu’outre le code génétique, il existe également un autre mécanisme permettant une réponse héritable et pourtant flexible en réponse aux fluctuations environnementales : le code épigénétique. Au cours de cette thèse, j’ai essayé de mieux caractériser le rôle des mécanismes épigénétiques, plus précisément ceux impliques dans la structure chromatinienne, chez deux organismes présentant des Dauermodifikations : le corail tropical Pocillopora damicornis et le parasite humain Schistosoma mansoni. Les deux objectifs principaux de cette étude sont de déterminer (I) de quelle manière l’environnement influence la structure chromatinienne (ciblée ou aléatoire) et (II) dans quelle mesure ces changements sont-ils héritables (mitotiquement ou méïotiquement).Nos résultats ont permis de mieux caractériser les épigénomes des deux organismes étudiés. Nous avons décrit la structure chromatinienne de S. mansoni au travers de la distribution de six modifications d’histones, sur deux stades développementaux. Par ailleurs, nous avons montré chez S. mansoni trois types de changements de la structure chromatinienne : (I) ciblés en réponse à l’environnement, (II) associés au génotype et (III) aléatoires. Seuls les types II et III sont héritables d’un stade développemental du parasite à un autre. Nos travaux sur P. damicornis ont permis de remarquer une structure chromatinienne inhabituelle et d’offrir une première description d’un méthylome de corail. / The origin of phenotypic variability has been much debated since the establishment of Lamarck’s and Darwins theories of evolution. It is commonly accepted in the contemporary vision of adaptive evolution that the only source of heritable phenotypic variability is genetic. Here, phenotypes are the product of the genotypes under the influence of the environment. Random DNA mutations generate novel phenotypes, which are then subjected to natural selection. Traditionally, it is considered that acquired characters are not heritable and have no impact on evolution. Yet almost a century ago, a German biologist named Victor Jollos revealed that some phenotypes could be produced in particular environmental conditions and could persist for a few generations in the absence of the original stimulus, before disappearing gradually. He named this phenomenon Dauermodifikations, literally “long term changes”. His conclusions were going against evolutionary conceptions of his time, and were considered experimental artefacts. However, we are now aware that, in addition to the genetic code, there is also another heritable, and yet flexible, mechanism responding to environmental fluctuations: the epigenetic code. In this thesis, I attempted to characterize the role of epigenetic mechanisms, and more specifically modifications of the chromatin structure, in two organisms with Dauermodifikations: the tropical coral Pocillopora damicornis and the human parasite Schistosoma mansoni. The two main objectives of this study were (I) to determine how the environment influences the chromatin structure (in a targeted or random fashion) and (II) to what extent these changes are heritable (through mitosis or meiosis).My results provide a better knowledge of the epigenome of the two organisms we studied. We have described the chromatin structure of S. mansoni through the distribution of six histones modifications, in two developmental stages. Furthermore, we have shown three types of changes in chromatin structure of S. mansoni: (I) targeted in response to environmental changes, (II) genotype associated, and (III) random. Only types II and III are inherited to the next developmental stages of the parasite. Our work on P. damicornis delivers evidence for an unusual chromatin structure in this organism and to provide the first description of a coral methylome

L’infection pulmonaire chronique à Pseudomonas aeruginosa (P. a.) est considérée comme la principalecause de morbidité et de mortalité liée à la mucoviscidose. Au cours de cette infection persistante, labactérie s'adapte à l’environnement pulmonaire caractéristique de ces patients et évolue avec son hôtependant des décennies. Cette évolution adaptative est portée par les phénotypes, avec notamment unediminution de la virulence et une augmentation de la résistance aux antibiotiques au cours du temps. Bienque plusieurs études aient tenté d’évaluer les mécanismes génétiques de cette évolution, il demeureaujourd’hui difficile d’expliquer les relations entre les mutations accumulées dans le génome bactérien etl’expression de phénotypes cliniquement pertinents, ou encore de corréler ces mutations avec l’état desanté du patient.Nous proposons dans ce travail d’étudier les mécanismes sous-tendant cette évolution adaptative à unniveau d’observation post-génomique : la métabolomique. Dernière-née des disciplines –omiques, lamétabolomique permet la prise de vue instantanée du métabolisme, et offre une vision au plus proche duphénotype. Pour cela, nous avons constitué une banque de lignées clonales évolutives de P. a. prélevéesau cours de l’infection pulmonaire chronique chez des patients atteints de mucoviscidose. Cette banque aensuite été caractérisée aux plans clinique, phénotypique et métabolomique. L’intégration de ces différentsniveaux d’information par des méthodes statistiques multi-tableaux nous a permis de mettre en évidencedes voies métaboliques impliquées dans la patho-adaptation de P. a. à son hôte.Nos résultats permettent de faire émerger de nouvelles hypothèses pour le développement d’outilsthérapeutiques et diagnostiques visant à améliorer la prise en charge de ces infections particulièrementrésistantes aux antibiotiques. De plus, nos travaux démontrent l’intérêt de la métabolomique pour l’étudede l’évolution adaptative bactérienne en conditions naturelles. / Chronic lung infection with Pseudomonas aeruginosa (P. a.) is considered as the leading cause of cysticfibrosis (CF) morbidity and mortality. During this persistent infection, the bacterium adapts to the typical lungenvironment of these patients and evolves within its host for decades. This adaptive evolution is driven byphenotypes, including a decrease in virulence and an increase in antibiotic resistance over time. Althoughseveral studies have attempted to elucidate the genetic mechanisms of this evolution, it remains difficulttoday to explain the relationships between the accumulated genomic mutations and the expression ofclinically relevant phenotypes, or to correlate these mutations with the patient’s health status.In this work, we propose to study the mechanisms underlying this adaptive evolution at a post-genomicobservation level: metabolomics. Metabolomics, the newest of the -omics disciplines, provides an instantview of the metabolic activities, and furnishes a vision as close as possible to the phenotype. To this end,we constructed a bank of evolutive clonal P. a. lineages sampled during chronic lung infection in patientswith CF. This bank was then clinically, phenotypically and metabolomically characterized. Integration ofthese different levels of information by multi-block statistical methods has allowed us to highlight metabolicpathways involved in within-host patho-adaptation of P. a. .Our results rise new hypotheses for the development of therapeutic and diagnostic tools with the aim ofimproving the management of these infections particularly resistant to antibiotics. In addition, our workdemonstrates the interest of metabolomics to study bacterial adaptive evolution under natural conditions.