Le présent projet propose de mettre au point des marqueurs biologiques de génotoxicité environnementale permettant une approche intégrée de la complexité des contaminations. Les préoccupations relatives aux pollutions des sols et des sédiments sont récentes. La contamination métallique des sols par exemple, due aux activités anthropiques est cependant préoccupante. Ce, en termes de risques pour la santé humaine et environnementale, du fait de la persistance, de l’accumulation, et du transfert possible de ces métaux vers les nappes souterraines et vers les chaînes trophiques. Le projet de recherche porte sur la validation au laboratoire de marqueurs de génotoxicité, mis en œuvre sur plusieurs espèces représentatives en écotoxicologie terrestre, Eisenia fetida et Trifolium repens. Des travaux préliminaires, dans le cadre d’un programme « Ecotoxicité des sols contaminés par les éléments traces métalliques » soutenu par l’ANR et les FEDER, ont permis de mettre en évidence la pertinence du test des comètes avec Trifolium vis-à-vis des sols contaminées en éléments traces métalliques ou à des hydrocarbures en mélanges (lixiviats de déchet industriels). Le test des comètes (Single Cell Gel Electrophoresis Assay) permet la détection et la quantification des dommages à l’ADN (cassures double et simple brin, sites alcali-labiles) au sein d’une population cellulaire, induits par certains agents environnementaux. Il permet d’évaluer l’atteinte au génome d’organismes modèles exposés. Cette atteinte de l’ADN est une composante essentielle à estimer car elle contribue à l’origine des phénomènes de cancérogenèse. / This project proposes to develop biomarkers of environmental genotoxicity for an integrated approach to the complexity of the contamination. Concerns about pollution of soils and sediments are recent. Metal contamination of soils, for example, due to human activities, however, is worrying. This, in terms of risks to human health and environmental, because of the persistence, accumulation, and the possible transfer of these metals into groundwater and into food chains. The research project presented consists in the validation of laboratory markers of genotoxicity, implemented on several representative species in terrestrial ecotoxicology, Eisenia fetida and Trifolium repens. Preliminary work, as part of a program "Ecotoxicity of soils contaminated with trace elements" supported by the ANR and the ERDF, helped to highlight the relevance of the comet assay with Trifolium vis-à-vis Soil contaminated by trace metals or mixtures of hydrocarbons (industrial waste leachate). The comet assay (Single Cell Gel Electrophoresis Assay) allows detection and quantification of DNA damage (DNA double and single-stranded, alkali-labile sites) in a cell population, induced by certain environmental agents. It assesses the impairment of the genome of model organisms exposed. This DNA damage is an essential component to estimate because it contributes to the origin of the phenomena of carcinogenesis.

Les terres rares (TRs) sont des métaux stratégiques du XXIe siècle dont la demande croissante résulte de leurs propriétés essentielles, notamment dans les domaines des énergies renouvelables, de la médecine et des hautes technologies. Ils sont classés en TR lourdes (HTRs), terres légères légères (LTRs) et non-lanthanides. Leur dissémination dans l'environnement, associée à une faible recyclabilité, fait des TRs des contaminants émergents pour lesquels les études de toxicité sont jusqu'à présent très disparates. Afin d’établir une base générale de la réponse cellulaire et moléculaire à un stress TRs, nous avons premièrement utilisé des stratégies complémentaires et à haut débit pour étudier la réponse, ainsi que l’absorption des TRs chez le modèle eucaryote Saccharomyces cerevisiae. Les deletome, transcriptome, protéome et ionome de la levure ont été analysés et approfondis par des analyses physiologiques ciblées. Bien que des réponses communes aux TRs et à d'autres métaux aient été mises en évidence, les réponses spécifiques aux TRs étaient prédominantes. La composition de la paroi cellulaire, la biosynthèse des sphingolipides, la voie ESCRT et l'endocytose sont des éléments clés de la réponse aux TRs. Deuxièmement, nous avons exploré les effets des TRs sur le transcriptome et le ionome du modèle végétal Arabidopsis thaliana. L'exposition des TRs a négativement impacté l'architecture racinaire, comme l'a révélé la modulation de gènes liés à l'auxine. De plus, le ionome a été modifié et les gènes liés à une carence en Fe largement représentés parmi les gènes les plus différentiellement exprimés. Afin d'identifier de nouvelles plantes modèles accumulant des TRs, des espèces de Phytolacca et de fougères ont été criblées. Malgré un trait d’accumulation des TRs conservé chez quelques genres de fougères et Phytolacca, un enrichissement en HTRs chez Phytolacca et en LTRs chez les fougères a été observé. Cependant, plusieurs espèces de Dryopteris présentent des teneurs contrastées en TRs dans les frondes et représentent de nouveaux modèles pertinents pour décrypter les mécanismes d’accumulation et de tolérance aux TRs. Globalement, des divergences ont été mises en évidence dans la réponse aux différentes TRs, en fonction de leur rayon ionique. La composition de la paroi cellulaire, la détoxification vacuolaire, mais aussi l’accumulation et le fractionnement des TRs ont souligné ces différences. Nous avons confirmé que les LTRs empruntaient les canaux calciques, tandis que de nouvelles preuves ont été données sur le rôle des transporteurs de Fe dans l'accumulation de HTRs. En conclusion, nous apportons ici de nouveaux éléments sur la toxicité et les spécificités des TRs, ainsi que des explications moléculaires pour certains effets déjà connus. Ce travail constitue un premier travail de base complet et multi-approches pour de futures études afin d’approfondir la compréhension de la toxicité des TRs chez les organismes vivants. / Rare earth elements (REEs) are strategic metals whose demand in the 21st century is increasing as a result of their essential properties useful to the fields of renewable energies, medicine, and high-technologies. They are classified as heavy REEs (HREEs), light REEs (LREEs) and non-lanthanides. Their dissemination in the environment, together with poor recyclability, leads REEs to be considered emerging contaminants, for which toxicity studies are currently very fragmented. To build a strong general foundation on the cellular and molecular response to REEs, we first adopted high-throughput and complementary strategies to study the REE stress response and their uptake in the unicellular eukaryotic model Saccharomyces cerevisiae. The deletome, transcriptome, proteome and ionome of yeast were analysed together with in-depth physiological experiments. Although common responses between REEs and other metals were highlighted, REE-specific responses were predominant. Cell wall composition, sphingolipid biosynthesis, the ESCRT pathway and endocytosis were emphasized as key elements in the cellular response to REEs. Second, we explored how REEs affect the transcriptome and ionome of the plant model Arabidopsis thaliana. REE exposure negatively affected the root architecture, as revealed by the modulation of auxin-related genes. REEs impaired the ionome, and Fe deficiency-related genes were largely represented among the most differentially expressed genes in both roots and leaves. Additionally, to identify new REE-accumulating plant models, collections of ferns and Phytolacca species were screened. Despite a conserved REE accumulation trait for Phytolacca and a few fern genera, HREE enrichment was observed in Phytolacca, while LREEs were preferentially transferred into the fronds of all fern species. However, several Dryopteris species harboured contrasting REE contents in the fronds. The latter species will be of great importance in deciphering the mechanisms of REE accumulation and tolerance. Overall, the response towards REEs differed according to their ionic radius. The cell wall composition, vacuolar detoxification, and the accumulation and fractionation of REEs notably accounted for these differences. Our findings support LREE-mediated entry through calcium channels, while new evidence was provided for the role of Fe transporters in the accumulation of HREEs. In conclusion, we have provided new insights into REE toxicity and specificities, together with the molecular elucidation of REE effects that have not previously been mechanistically explained. This work is a first multi-approach comprehensive groundwork that will be used for future studies to deepen the understanding and assessment of REE toxicity in organisms.

La mesure des effets des éléments en traces métalliques (ETM) sur les microorganismes, acteurs majeurs du fonctionnement des sols, constitue une approche complémentaire des analyses physico-chimiques dans l'évaluation de leur impact éco-toxicologique. La démarche scientifique présentée ici visait à déterminer dans quelle mesure la diversité, l'abondance et l'expression de gènes bactériens de résistance aux métaux et métalloïdes pourraient constituer des biomarqueurs pertinents des concentrations biodisponibles en ETM dans les sols contaminés et de leur impact sur les communautés bactériennes. Dans cette étude, nous nous sommes focalisés sur les gènes de résistance arsB/ACR3(1) codant les pompes d'efflux de l'arsénite, largement répandues chez les procaryotes, et aioA codant une arsénite-oxydase. Une technique de PCR en temps réel, utilisant des amorces dégénérées conçues au cours de travaux de thèse précédents (Achour et al., 2007 ; Quéméneur et al., 2008), a été développée pour quantifier ces gènes cibles et leurs transcrits dans des systèmes d'étude de plus en plus complexes, de la culture liquide aux microcosmes de sols. Cette recherche d'interprétations physiologiques et écologiques des réponses bactériennes à une exposition à l'arsenic a été intégrée dans le projet ANR Multipolsite (ANR CES 2008). Il a dès lors été possible d'étudier, dans un contexte d'atténuation naturelle et de phytoremédiation, l'abondance des gènes arsB, ACR3(1) et aioA in situ et sur le long terme en fonction de différents traitements telles que la présence de végétation et la désorption-thermique de ce sol multi-contaminé aux HAP et aux ETM. Ces travaux ont également abouti à la conception d'amorces dégénérées ciblant les gènes de résistance aux cadmium, zinc et plomb, gènes codant les ATPases de type PIB étant des pompes d'efflux spécifiques de ces ETM / Arsenic is a widespread toxic metalloid which is a major issue of public health. Its presence in the environment is naturally due to the geochemical background, i.e. the weathering of parent material and volcanic eruptions, but the main contamination sources are anthropogenic activities such as mining and metalworking industry. We describe a real-time PCR assay for the quantitative detection of arsB and ACR3(1) arsenite transporter gene families, two ubiquitous and key determinants of arsenic resistance in prokaryotes. The aioA gene encoding the large subunit of arsenite-oxidase was monitored in parallel. This study aimed to determine whether diversity, abundance and expression of these arsenite efflux pumps could serve as suitable biomarkers of metalloid stress and provide means to assess the impact of contamination on soil bacterial communities. The assay was applied in batch growth experiments using a wasteland soil bacterial community as an inoculum to investigate the effect of increasing arsenic concentrations on genes and transcripts abundances. To confirm previous results, further studies on the abundance and expression of arsB and ACR3(1) in indigenous soil bacterial communities exposed to different levels of arsenic over various time periods have helped to gain a better understanding of how these genes contribute to the adaptation of the communities to arsenic stress and their role in shaping the community structure and diversity. On the other hand, metal transporting PIB-type ATPases are critical components of bacterial resistance to cadmium, zinc and lead. We therefore designed degenerate PCR primers targeting PIB-type ATPases and tested their specificity on reference strains, metal-resistant soil isolates and soil metagenomic DNA