Th.--Biol. vég.--Toulouse 3, 1977. N°: 766.

La société Adisseo produit un cocktail d’enzymes hydrolytiques appelé Rovabio® Excel sécrété par un champignon filamenteux Talaromyces versatilis. Ce cocktail est utilisé comme additif alimentaire pour augmenter la digestibilité de complexes polysaccharidiques en nutrition animale et ainsi augmenter la valeur nutritionnelle des matières premières agricoles. Une récente étude protéomique de ce champignon (Guais et al., 2008) a révélé la présence d’un grand nombre d’arabinofuranosidases (ABFs) appartenant à différentes familles de glycosides hydrolases : 5 ABFs de la famille GH54, 3 ABFs de la famille GH62 et enfin une de la famille GH51. Un des objectifs de mes travaux de thèse a été le clonage, l’expression hétérologue (hôte lévurien Pichia pastoris) des 9 gènes codant pour ces 9 enzymes et la caractérisation complète de la famille GH62. La caractérisation des capacités d’hydrolyse des ABFs 54 et 62 a également été étudiée grâce à une technique d’empreintes d’hydrolyse enzymatique sur arabinoxylane de blé. Enfin, la dernière partie de mes travaux consistait à confectionner des mélanges d’enzymes hydrolytiques des différentes familles d’ABFs associés à des xylanases et de suivre l’efficacité de la dégradation de l’arabinoxylane insoluble grâce à l’utilisation d’un réacteur torique permettant l’acquisition d’images et l’analyse en ligne de la dégradation. Ces travaux sur le réacteur ont permis de mettre en évidence une synergie entre Abfs et Xylanases. / Adisseo produce and commercialize a hydrolytic enzymatic cocktail termed Rovabio and secreted by a filamentous fungus Talaromyces versatilis. This cocktail is used as feed additive for increased digestibility of complex polysaccharides in animal nutrition. A recent genomic study of this fungus revealed the presence of 5 arabinofuranosidases (Abfs) to family GH 54, 3 of GH 62 and 1 of GH51. The first aim of my thesis works was about cloning, heterologous overexpression (in pichia pastoris yeast) of this 9 genes encoding for this 9 enzymes and characterization of the family GH 62. Mode of action of ABFs 54 and 62s has been characterized by enzymatic fingerprinting analysis on wheat arabinoxylan. Then, last part was to design enzymatic cocktail with differents families of ABFs and Xylanases and test their impact on insoluble arabinoxylan hydrolysis with toric reactor. These works on reactor have bringing to light a synergy between ABFs and Xylanases

Le champignon filamenteux, Podospora anserina, possède deux types sexuels, mat+ et mat-, caractérisés chacun par une séquence spécifique. La séquence mat+ contient un seul gène FPR1; la séquence mat- contient trois gènes : FMR1, SMR1 et SMR2. La fonction moléculaire de SMR1 est inconnue, les autres gènes codent des facteurs de transcription qui contrôlent la fécondation (reconnaissance intercellulaire), et le passage d'un syncytium à un hyphe spécialisé binucléé contenant un noyau mat+ et un noyau mat- (reconnaissance internucléaire). Il n'y a pas eu d'analyse exhaustive des gènes impliqués dans la reconnaissance intercellulaire et le mécanisme de la reconnaissance internucléaire est encore inconnu. Afin de déterminer les cibles de FPR1 et FMR1, et les différents mécanismes impliqués, nous avons utilisé une approche microarray. Le profil transcriptomique des souches mat+ et mat- compétentes pour la fécondation a permis d'identifier 157 gènes cibles, et l'analyse transcriptomique des souches mutantes fpr1- et fmr1- a révélé que ces cibles peuvent être soit réprimées, soit activées par FMR1 ou FPR1, ou être sous le contrôle de ces deux facteurs. Ces expériences ont aussi détecté l'existence de 10 gènes activés ou réprimés au même niveau dans mat+ et mat-. La délétion de 32 gènes choisis parmi ces 167 gènes cibles n'a permis de mettre en évidence que deux gènes impliqués dans la fécondation. Les comparaisons des gènes cibles des facteurs de transcription MAT de Gibberella moniliformis et Sordaria macrospora avec ceux de P. anserina révèlent un nombre significatif de gènes cibles communs entre ces espèces, mais ces gènes ont des profils transcriptomiques différents, soulevant la question du rôle de ces gènes cibles. La recherche des gènes cibles de FPR1, FMR1 et SMR2 impliqués dans la reconnaissance internuléaire a été effectuée en comparant le transcriptome des périthèces issus de deux croisements, l'un n'exprimant que les gènes spécifiques mat+, l'autre que les gènes spécifiques mat-. Les résultats ont été interprétés selon le modèle d'identité nucléaire et le modèle de ségrégation aléatoire. Le premier modèle a conduit à l'identification de 27 gènes cibles, tandis que 154 gènes cibles ont été identifiés en appliquant le deuxième modèle. Au total 46 souches mutantes ont été construites. Cependant aucune délétion n'a affecté le développement sexué. En parallèle de ces expériences transcriptomiques, nous avons invalidé tous les gènes à HMG-box de P. anserina. Les résultats montrent que ces derniers ont un rôle très important dans le développement sexué, particulièrement Pa_1_13940 qui code un régulateur des gènes des types sexuels, le premier identifié chez les Pezizomycotina.

Le champignon filamenteux, Podospora anserina, possède deux types sexuels, mat+ et mat-, caractérisés chacun par une séquence spécifique. La séquence mat+ contient un seul gène FPR1; la séquence mat- contient trois gènes : FMR1, SMR1 et SMR2. La fonction moléculaire de SMR1 est inconnue, les autres gènes codent des facteurs de transcription qui contrôlent la fécondation (reconnaissance intercellulaire), et le passage d’un syncytium à un hyphe spécialisé binucléé contenant un noyau mat+ et un noyau mat- (reconnaissance internucléaire). Il n’y a pas eu d’analyse exhaustive des gènes impliqués dans la reconnaissance intercellulaire et le mécanisme de la reconnaissance internucléaire est encore inconnu. Afin de déterminer les cibles de FPR1 et FMR1, et les différents mécanismes impliqués, nous avons utilisé une approche microarray. Le profil transcriptomique des souches mat+ et mat- compétentes pour la fécondation a permis d’identifier 157 gènes cibles, et l’analyse transcriptomique des souches mutantes fpr1- et fmr1- a révélé que ces cibles peuvent être soit réprimées, soit activées par FMR1 ou FPR1, ou être sous le contrôle de ces deux facteurs. Ces expériences ont aussi détecté l’existence de 10 gènes activés ou réprimés au même niveau dans mat+ et mat-. La délétion de 32 gènes choisis parmi ces 167 gènes cibles n’a permis de mettre en évidence que deux gènes impliqués dans la fécondation. Les comparaisons des gènes cibles des facteurs de transcription MAT de Gibberella moniliformis et Sordaria macrospora avec ceux de P. anserina révèlent un nombre significatif de gènes cibles communs entre ces espèces, mais ces gènes ont des profils transcriptomiques différents, soulevant la question du rôle de ces gènes cibles. La recherche des gènes cibles de FPR1, FMR1 et SMR2 impliqués dans la reconnaissance internuléaire a été effectuée en comparant le transcriptome des périthèces issus de deux croisements, l’un n’exprimant que les gènes spécifiques mat+, l’autre que les gènes spécifiques mat-. Les résultats ont été interprétés selon le modèle d’identité nucléaire et le modèle de ségrégation aléatoire. Le premier modèle a conduit à l’identification de 27 gènes cibles, tandis que 154 gènes cibles ont été identifiés en appliquant le deuxième modèle. Au total 46 souches mutantes ont été construites. Cependant aucune délétion n’a affecté le développement sexué. En parallèle de ces expériences transcriptomiques, nous avons invalidé tous les gènes à HMG-box de P. anserina. Les résultats montrent que ces derniers ont un rôle très important dans le développement sexué, particulièrement Pa_1_13940 qui code un régulateur des gènes des types sexuels, le premier identifié chez les Pezizomycotina. / The filamentous fungus, Podospora anserina, has two mating-type idiomorphs, mat+ and mat-. The mat+ sequence contains one gene FPR1, while mat- contains three genes: FMR1, SMR1 and SMR2. The molecular function of SMR1 is unknown, FPR1, FMR1 and SMR2 encode transcriptional regulators which control the fertilization (intercellular recognition) and the transition from a syncytium to a specialized dikaryotic hypha which contains one mat+ and one mat- nucleus (internuclear recognition). No exhaustive analysis is available for the genes involved in the intercellular recognition, while the mechanism of the internuclear recognition is unknown. In order to understand the mechanism of these events and to identify the target genes of mating-type transcription factors, we used a microarray approach. The transcriptomic profiles of the mat+ and mat- strains that are competent for fertilization revealed 157 differentially transcribed genes, and transcriptomic analysis of fmr1- and fpr1- mutant strains was used to determine the regulatory actions exerted by FMR1 and FPR1 on these differentially transcribed genes. All possible combinations of transcription repression and/or activation by FMR1 and/or FPR1 were observed. Furthermore, 10 additional mating-type target genes were identified that were up- or down-regulated to the same level in mat+ and mat- strains. Of the 167 genes identified, 32 genes were selected for deletion, which resulted in the identification of two genes essential for the sexual cycle. A comparison with similar data set from the two ascomycetes, Gibberella moniliformis and Sordaria macrospora, reveals significant numbers of orthologous pairs, although transcriptional profiles were not conserved between species, questioning the function of these target genes. Internuclear recognition was investigated by the transcriptomic analysis of perithecia from two crosses expressing mat+ and mat- genes, respectively. The tow internuclear recognition models: nuclear identity and random segregation, were used to interpret our results. According to the former model, 27 target genes have been identified, while 154 target genes were identified with the latter model. A total of 46 mutant strains were constructed. However, these strains showed no defects in sexual development. Besides this microarray experiences, we have invalidated all HMG-box genes of P. anserina. The results show that the HMG-box genes have a very important role in sexual development, especially Pa_1_13940 which encodes the first identified regulator of Pezizomycotinan mating-type genes.

Les objectifs de cette thèse sont, d’une part, de développer un système d’agitation performant en termes de transfert d‘oxygène et de forces de cisaillement afin qu’il soit adapté aux cultures de levures, de bactéries et de champignons filamenteux. D’autre part, de mettre au point un procédé de production des spores de champignons en milieu liquide pour remplacer la culture sur milieu solide (boîte de roux) utilisée au démarrage de la thèse par la société DSM. Ces travaux ont permis de sélectionner le mobile type « oreilles d’éléphant » comme système d’agitation. Son efficacité de transfert d’oxygène a été caractérisée dans une large gamme de débits d’air et de vitesses d’agitation. Les données obtenues ont été modélisées pour développer un outil de prédiction du KLa et d’extrapolation de procédé d’agitation. L’approche utilisée pour l’extrapolation est basée sur la similitude non géométrique et le maintien du coefficient de transfert d’oxygène (KLa) constant entre les échelles. L’efficacité du nouveau mobile d’agitation a été validée à l’échelle pilote en présence des cultures de bactéries, de levures et de champignons. Parallèlement au choix du mobile d’agitation, un procédé de production de spores de champignons filamenteux en milieu liquide a été développé. Ainsi, le milieu de culture et les conditions opératoires de chaque étape de la fermentation (germination, croissance végétative et sporulation) ont été optimisés. Ce nouveau procédé permet d’obtenir jusqu’à 200.106 cellules par millilitre de culture aussi bien à l’échelle du laboratoire que pilote (900L). Il a été aussi validé en présence de cultures de levures et de bactéries. Sur le même principe, les données obtenues à l’échelle pilote ont permis de développer un outil d’extrapolation à l’échelle industrielle de 10 m3 / The objectives of this thesis are, on one hand, to develop an efficient system of agitation in terms of oxygen transfer and shear stress, suited for the fermentation of yeasts, bacteria and filamentous fungi, on the other hand, to develop a process of spore production in a liquid medium. This new process will be used instead of the solid culture in Roux flasks used by DSM at the beginning of the PhD program. In a first step, we have selected “Elephant Ears” impellers as stirrers; its effectiveness of oxygen transfer was characterized in a broad range of stirring speeds and airflow rates. The data obtained were modeled and a predictive tool for KLa and process extrapolation was developed. The extrapolation is based on the non-geometrical similarity and the coefficient of oxygen transfer (KLa) was kept constant between scales. The effectiveness of the new stirrer was validated in a pilot-scale in the presence of the cultures of bacteria, yeasts and filamentous fungi. Besides the studies on the stirrer, a process in a liquid medium of filamentous fungi was developed. Thus, the fermentation medium and the operating conditions of each steps of the fermentation (germination, vegetative growth, and sporulation) were optimized. This new process makes possible to obtain up to 200.106 cells per milliliter of culture on both laboratory and pilot scale (900L). Finally, the data gathered on the pilot scale was used to extrapolate this process to the industrial-scale of 10m3

Magnaporthe grisea est responsable de la pyriculariose du riz, principale maladie de cette céréale. L’entrée du champignon dans la plante hôte se fait via l’appressorium. La différenciation de cette structure résulte d’une réorientation génétique et métabolique, et nécessite une régulation génétique fine. Une étude transcriptomique comparant les stades mycélium et appressorium a permis de montrer qu’environ 1300 ORFs sont surexprimées au stade appressorial. Ce transcriptome a permis l’identification de 32 gènes codant pour des facteurs de transcription pour lesquels dix mutants de délétion ont été générés et caractérisés. L’étude de leur pouvoir infectieux a révélé que le mutant délété du gène TF7 présente une pathogénie réduite de 70% sur plant d’orge. De plus, ce mutant est incapable de former des appressoria sur membrane artificielle sauf en présence d’un inducteur chimique (1,16- hexadecanediol). Par ailleurs, lorsque les appressoria sont formés, ils éclatent au bout de 14 heures. Cette altération peut être compensée par l’addition de sorbitol comme osmoprotecteur. Ce mutant est hypersensible à la Nikkomycine Z, un inhibiteur de la chitine synthase suggérant une altération du métabolisme pariétal. Un transcriptome différentiel réalisé à partir d’appressoria sauvages et mutés différenciés sur membrane de Téflon a révélé que des gènes impliqués dans le métabolisme de la chitine sont sous-exprimés dans le mutant ΔTf7. Le facteur de transcription Tf22 dont la délétion conduit à une réduction de 70% de la pathogénie sur riz a également fait l’objet d’une attention particulière. En effet, la recherche d’homologie a montré la présence de deux protéines homologues à Tf22 chez les deux champignons phytopathogènes S. nodorum et C. nicotianae et au-delà de la conservation d’un cluster potentiel de gènes du métabolisme secondaire, identifié chez C.nicotianae. La caractérisation du mutant a montré que l’expression de ce cluster potentiel est régulée négativement par le gène TF22 / Magnaporthe grisea is responsible for rice blast, the major disease of rice. The entry of the fungus in the host plant is via a specialized cell called appressorium. The differentiation of this structure results from a genetic and metabolic shift, and requires fine control mechanisms. A transcriptomic study comparing vegetative mycelium and appressorium mature stage, characteristic of the pre-penetration step was realized. In order to identify new regulatory networks specific of the appressorial differentiation, we focused on 32 genes encodi. Ten deletion mutants of transcription factor genes were generated and characterized. The study of their infectivity revealed that the TF7 gene deleted mutant has a reduced pathogenicity of 70% on barley plant resulting from an inability to penetrate the plant surface. Moreover, unlike the parental strain, this mutant is unable to form appressoria on artificial membrane except in the presence of a chemical inducer (1.16-hexadecanediol). Moreover, when appressoria are formed, they burst after 14 hours. This alteration can be compensated by a sorbitol solution acting as an osmoprotectant. This mutant is hypersensitive to nikkomycin Z, a chitin synthase inhibitor suggesting an alteration of parietal metabolism. A differential transcriptome was conducted comparing wild and mutated appressoria differentiated on Teflon membrane revealed that genes involved in chitin metabolism are dependent on the transcription factor Tf7. A second transcription factor Tf22 whose, deletion leads to a reduction of 70% of pathogenesis on rice, has also been studied. Indeed, the homology search showed the presence of two proteins homologous to Tf22 for S. nodorum and C. nicotianae. Beyond the conservation of the transcription factor, we observed the conservation of a potential cluster of genes of secondary metabolism identified in C.nicotianae. The characterization of the mutant revealed that expression of this potential cluster is negatively regulated by the gene TF22

La production d’éthanol à partir de biomasse lignocellulosique est reconnue comme une des voies possibles de réduction des émissions de gaz à effet de serre et de remplacement partiel des énergies fossiles. Pour être compétitif, la production d'enzymes à bas coûts est nécessaire. Ces enzymes sont produites par le champignon filamenteux Trichoderma reesei, qui présente, à forte concentration, un comportement fortement rhéofluidifiant pouvant entrainer des limitations de mélange et de transfert de matière lors du changement d'échelle. Dans ce travail, il est proposé de compléter les données de la littérature concernant le temps de mélange, la puissance dissipée et le transfert de matière gaz-liquide (global et local) par des mesures à plusieurs échelles dans des fluides modèles de rhéologie similaire aux milieux biologiques visés. Les modèles et corrélations développés qui en résultent sont directement exploitables pour le design des fermenteurs industriels. Afin d’étudier plus en détail le mélange, le taux de cisaillement et la turbulence, une étude par PIV a été menée sur des milieux transparents. La caractérisation fine de l'hydrodynamique repose sur la dissociation des différentes composantes du mouvement à l’aide de la POD. L'évolution des grandeurs mesurées avec les conditions opératoires permet de fournir des indications précieuses pour l'extrapolation des fermenteurs mettant en œuvre des micro-organismes potentiellement sensibles au cisaillement / Ethanol made from cellulosic biomass is recognized as a promising substitute for fossil fuel and thus as a way to reduce greenhouse gas emissions. To be competitive, low cost cellulosic enzymes produced by the filamentous fungus Trichoderma reesei are required. At high biomass concentration, the culture broth becomes so highly shear-thinning that mixing and mass transfer limitations may be encountered when the process is scaled up.In this study, we propose to complete data available in the literature for mixing times, power draw, and mass transfer (local and global) with measurements at several scales in model fluids (shear thinning) that mimic the rheology of biological media. Models and correlations that derive from this work can be used directly for industrial fermentor design. In order to study mixing, local shear rate and turbulence in detail, PIV is performed in transparent model fluids. The refined hydrodynamic characterisation relies on the dissociation of instantaneous velocity by means of the POD method. The change of key parameters with operating conditions gives relevant information for the scale-up of shear-sensitive micro-organisms.