L’océan Arctique est reconnu comme faisant partie des régions les plus exposées et les plus sensibles aux changements climatiques, comme en témoignent les récentes pertes importantes du couvert de glace et le réchauffement rapide de l’air et des eaux surfaces. En affectant les conditions physico-chimiques de la colonne d’eau (par ex : lumière disponible, température, apports de nutriments), ces bouleversements peuvent conduire à des changements dans la croissance et la composition élémentaire (stœchiométrie) du phytoplancton à la base du réseau alimentaire et ainsi altérer le fonctionnement et la biogéochimie de l’écosystème marin. Bien que de récentes études suggèrent que les diatomées des régions arctiques possèderaient une stœchiométrie et des teneurs en carbone (C), azote (N) et phosphore (P) différentes de celles observées à de plus basses latitudes, de grandes incertitudes persistent quant à l’influence des conditions environnementales changeantes sur la croissance et la composition élémentaire d’espèces phytoplanctoniques dont l’importance écologique est avérée. Puisque la complexité des communautés planctoniques rend difficile l’étude in situ de la réponse physiologique de ces espèces clés, le présent ouvrage repose sur une approche parallèle qui consiste à mettre en évidence expérimentalement l’influence des conditions physiques et nutritives sur la croissance et la stœchiométrie d’une diatomée cosmopolite cultivée en laboratoire. Chaetoceros gelidus est une diatomée largement répandue dans l’océan Arctique et dont l’importance écologique a été maintes fois soulignée. La présente étude, approfondie et inédite, de C. gelidus a permis de constater qu’à température faible les quotas cellulaires et la stœchiométrie de cette espèce sont fortement dépendants du rapport nitrate:phosphate initial dans le milieu de culture. Au-delà de son évidente portée méthodologique, ce résultat permet d’encadrer l’extrapolation des connaissances acquises en laboratoire au milieu naturel de l’Arctique, où le rapport nitrate:phosphate ambient varie grandement d’un secteur à l’autre. Par ailleurs, C. gelidus s’avère capable de croître à des taux appréciables et identiques en présence de différentes formes d’azote, dont les valeurs énergétiques sont pourtant très inégales, et est en mesure de maintenir une stœchiométrie fixe quel que soit le niveau de lumière et la forme d’azote à 0 °C. Cette capacité singulière s’atténue à mesure que la température augmente, soulignant le rôle prépondérant de la température dans le contrôle du métabolisme azotée. Malgré son caractère psychrophile, C. gelidus présente des quotas élémentaires étonnamment proches de ceux observés pour des diatomées tempérées, suggérant que l’espèce peut être considérée comme un amalgame de traits polaires et tempérés. Au-delà du nouvel éclairage qu’ils apportent sur la nature et la physiologie des diatomées polaires, les résultats de cette thèse témoignent de la surprenante capacité d’une espèce clé à tolérer des perturbations majeures de l’environnement physique et chimique. Cette capacité explique le caractère ubiquiste de C. gelidus dans l’océan Arctique, et suggère une forte résilience de l’espèce face aux perturbations majeures qui transforment cet océan. / The Arctic Ocean is recognized as the most exposed and sensitive to climate change, as underscored by a drastic reduction in the extent of summer sea ice and rapid warming of the atmosphere and sea surface. By affecting the physico-chemical conditions of the water column (e. g. available light, temperature, nutrient inputs), these alterations can impact the global functioning and biogeochemistry of the marine ecosystem by triggering changes in the growth and elemental composition (stoichiometry) of phytoplankton at the base of the food web. Although, recent studies suggest that the carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) contents as well as the stoichiometry of polar phytoplankton differ from those of phytoplankton at lower latitudes, there is a lack of data assessing how the growth and elemental stoichiometry of ecologically-relevant diatoms respond to changing environmental conditions. Since the complexity of planktonic communities makes it difficult to study the physiological response of key species in situ, this thesis employs a parallel approach that experimentally probes into the influence of physical and nutritional conditions on the growth and stoichiometry of a cosmopolitan diatom in the laboratory. Chaetoceros gelidus is widely distributed in the Arctic Ocean and its ecological importance has been repeatedly emphasized. This unprecedented study of C. gelidus shows that at low temperatures, cell quotas and elemental stoichiometry are highly dependent on the initial nitrate:phosphate ratio in the culture medium. Beyond its obvious methodological implication, this result provides a basis for extrapolating knowledge gained in the laboratory to the natural Arctic environment, where ambient nitrate:phosphate ratios vary greatly from one sector to another. The work also demonstrates that C. gelidus is able to grow at appreciable and identical rates in the presence of different N forms with uneven energetic value, and is able to maintain a fixed stoichiometry regardless of the light level and nitrogen form provided at 0 °C. This unique ability decreases as temperature increases, highlighting the key role of temperature in controlling nitrogen metabolism. Despite its psychrophilic character, C. gelidus exhibits elemental quotas that are surprisingly close to those observed for temperate diatoms, suggesting that the species combines polar and temperate traits. Beyond the new insights they shed on the nature and physiology of polar diatoms, the results of this thesis testify to the surprising ability of a key species to tolerate and cope with major disturbances in its physical and chemical growth conditions. This ability explains the ubiquitous nature of C. gelidus in the Arctic Ocean and suggests a high resiliency of the species in the face of ongoing environmental changes.

Durant l’hiver en Arctique, les algues de glace et le phytoplancton passent près de 6 mois à l’obscurité totale avant que les conditions pour la croissance soient optimales au printemps. Comment les algues polaires, composées principalement de diatomées, réussissent-elles à survivre à d’aussi longues périodes d’obscurité et à croître dès le retour de la lumière? Quels sont les mécanismes physiologiques impliqués? Les objectifs de l’étude présentée visent à caractériser l’état cellulaire d’une diatomée arctique, Fragilariopsis cylindrus, durant une période d’obscurité totale représentative de l’hiver polaire afin de mieux comprendre les mécanismes qui permettent la survie à l’obscurité prolongée et au retour de la lumière. Nous avons mesuré les mécanismes physiologiques impliqués en mesurant plusieurs paramètres à des intervalles précis: les premiers jours, les premières semaines et les trois premiers mois d’obscurité ainsi que les premières heures et les premiers jours des retours à la lumière après 1,5 et 3 mois d’obscurité. Les paramètres mesurés comprenaient le nombre et la taille des cellules, le carbone et l’azote particulaire, les lipides, la composition en pigments, la flurorescence variable, les protéines photosynthétiques (D1, RUBISCO), les paramètres photosynthétiques et le quenching non-photochimique (NPQ). Quelques jours après la transition à l’obscurité, Fragilariopsis cylindrus s’est acclimatée à un état stable qui s’est maintenu jusqu’au retour de la lumière. Cet état est caractérisé par un nombre et une taille des cellules stables, une faible consommation des réserves d’énergie, une faible diminution des pigments photosynthétiques et de très faibles capacités photosynthétiques. Après 1,5 mois d’obscurité, la réexposition à la lumière a déclenché une forte réponse du NPQ et un réassemblement de l’appareil photosynthétique, suivi d’une reprise des activités métaboliques et de la croissance cellulaire. La réexposition après 3 mois s’est caractérisée par une reprise des activités beaucoup plus lente, probablement causée par une mortalité plus importante. / Polar winter in the Arctic can last as long as 6 months each year at high latitude. During this period, no light is available for photoautotrophic growth. Nevertheless, when light returns in spring, a sea-ice algae and phytoplankton bloom develops in the surface ocean layers. Therefore, the following questions can be asked: How do photoautotrophic communities (mainly diatoms) survive through winter darkness until light returns in spring? What are the physiological mechanisms underlying such survival? Our goal was to understand the acclimation processes at stake in both darkness and during the return to light by closely looking at the changes in intra-cellular content and functional capacity of a polar sea-ice diatom, Fragilariopsis cylindrus. We measured a set of parameters at specific time-points: the first days and first weeks up to 3 months of darkness, and the first hours up to 6 days upon return to light. This set included cell number and cytometry, cellular carbon and nitrogen quotas, lipid and pigment contents, fluorescence determinations, photosynthetic proteins (D1, RUBISCO), photosynthetic parameters and non-photochemical quenching (NPQ). A rather stable state was reached few days following transition to dark and was maintained throughout until the return of light: stable cell size and number, low energy reserve consumption, slow decrease of photosynthetic pigments and very low photosynthetic capacities. Subsequent transition to light after 1.5 months induced strong NPQ activity and reassembly/renewal of photosynthetic components, followed by metabolic recovery and cell growth. Transition after 3 months showed a much slower recovery and no cell growth, highlighting the increase of potential mortality with longer periods of darkness.

Les floraisons printanières phytoplanctoniques sont plus précoces dans environ 11% de l’océan Arctique dû à un retrait plus hâtif des glaces au printemps. Quelles conditions d’éclairement et de photopériode sont nécessaires à l’initiation de cette floraison ? L’étude présentée vise à quantifier l’effet de l’éclairement et de la durée du jour sur la croissance de la Thalassiosira gravida. La T.gravida a été cultivée en laboratoire sous quatre régimes lumineux représentant une fonte précoce de la banquise aux mois de mars, avril, mai et juin dans la baie de Baffin. La T.gravida a montré une capacité de photoacclimatation lui permettant de maintenir un taux de croissance plus élevé et constant d’avril à juin. Les propriétés photosynthétiques de cette diatomée permettent sa croissance si la fonte printanière de la banquise survient au mois de mars. Toutefois, les conditions environnementales favorables à une floraison plus importante seraient celles des mois d’avril et mai.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les diatomées sont des microorganismes photosynthétiques eucaryotes unicellulaires retrouvées dans tous les environnements aquatiques, particulièrement dominantes dans les régions polaires, assurant ca. 40% de la production primaire marine et ca. 20 % de la production primaire globale. Les microalgues polaires sont exposées à des changements saisonniers drastiques dans la disponibilité de la lumière, allant de journées sans nuit été à la nuit polaire en hiver et avec des changements rapides de la durée d'éclairement au printemps et à l'automne. A la grande amplitude saisonnière de la durée d'éclairement s'ajoute une forte variabilité à court terme de l'intensité lumineuse causée par les interactions entre la lumière, le couvert de glace de mer et les conditions d'enneigement. Sous ce climat de lumière exigeant, de grandes efflorescences printanières de diatomées se produisent à l'interface glace-océan et sous la banquise. Chez les diatomées, bien que la phénologie de la photoacclimatation dans un contexte de changement de l'intensité lumineuse a été largement étudiée, l'impact de la photopériode et du spectre lumineux sur la photophysiologie a été très peu abordé. Cette absence de travaux sur la réponse aux variations de la photopériode et du spectre lumineux est encore plus étonnante chez les diatomées polaires compte-tenu de l'environnement lumineux extrême aux hautes latitudes. L'élucidation de cette réponse est sans doute une des clés pour mieux comprendre leur succès écologique dans les régions polaires et pourrait permettre de mieux prédire les conséquences de la mutation du climat arctique sur sa production primaire marine. Cette thèse de doctorat porte sur l'étude des processus de photorégulation chez la diatomée polaire Fragilariopsis cylindrus en fonction du régime lumineux : photopériode et spectre lumineux. Plus spécifiquement, ce travail s'intéresse à la photoacclimatation, la synthèse de pigments caroténoïdes et à la rythmicité circadienne de l'activité photosynthétique. Cette étude se repose sur une approche exclusivement expérimentale où les conditions de cultures (intensité lumineuse, spectre lumineux, durée d'éclairement, température, biomasse algale) ont été sélectionnées pour être à la fois représentatives des conditions environnementales rencontrées par F. cylindrus au cours de sa période de croissance en Arctique, et permettre sa croissance optimale. Nos travaux ont permis de mettre en avant la plasticité de F. cylindrus à se développer efficacement sous une large gamme de photopériodes et à s'adapter rapidement à un changement soudain de l'environnement lumineux en ajustant finement l'équilibre entre la photochimie et la photoprotection pour tirer le meilleur parti de la lumière disponible, malgré la faible intensité et température. Nos travaux confirment aussi le rôle crucial que joue la photoprotection dans l'acclimatation à court et long termes, permettant aux diatomées de maintenir leur capacité de collecte de lumière et l'intégrité de leur photosystèmes II dans des conditions d'illumination changeantes. Cette capacité est encore plus cruciale lorsque les taux métaboliques sont ralentis par les basses températures. Nous avons également mis en évidence l'existence d'une régulation rythmique photopériodique de la photosynthèse, de la photoprotection et de la synthèse de caroténoïdes chez F. cylindrus. Une étude plus en profondeur de cette rythmicité a permis de révéler l'existence d'une régulation circadienne de la photochimie et de la photoprotection reposant sur l'alternance lumière-obscurité et probablement sur le cycle de division cellulaire, ainsi que la présence d'une rythmicité circadien robuste et endogène de l'allocation de l'énergie au sein des centres réactionnels des photosystèmes II. Nos investigations ont aussi permis d'exposer l'importance du spectre lumineux sur la réponse photoadaptative et la croissance de F. cylindrus, notamment le rôle central, mais non-exclusif (la lumière rouge a aussi son importance), de la lumière bleue dans la régulation des mécanismes de photoprotection et dans l'entrainement de la rythmicité circadienne. Finalement l'exploration des capacités de production de caroténoïdes par F. cylindrus confirment le potentiel des souches de diatomées polaires pour la production de pigments à valeur ajoutée (Fucoxanthine, Diadinoxanthine et Diatoxanthine) dans des conditions de basse température et intensité lumineuse. Ces travaux soutiennent la possibilité d'utiliser les diatomées polaires comme une bioressource efficace, adaptée au froid et à la faible lumière, particulièrement utilisable dans les pays nordiques pour la production de biomasse à valeur ajoutée, et le développement d'une nouvelle économie nordique basée sur les ressources marines microalgales. / Diatoms are unicellular eukaryotic photosynthetic microorganisms found in all aquatic environments, particularly dominant in the polar areas, that support ca. 40% of marine primary production and ca. 20% of the global primary production. Polar microalgae experiment dramatic seasonal changes in light availability, ranging from endless days in summer to the polar night in winter, with rapid changes in day length in spring and fall. In addition to the large seasonal amplitude of day length, there is a strong short-term variability in light intensity caused by interactions between light, sea ice cover and snow conditions. Under this light-demanding climate, large spring diatom blooms occur at the sea ice-ocean interface and beneath the pack ice, accounting for a significant proportion of the annual marine primary production in the Arctic Ocean and essential to Arctic marine ecosystem food-webs. In diatoms, although the phenology of photoacclimation in the context of changing light intensity has been widely studied, the impact of photoperiod and light spectrum on the photophysiology is not well documented. This lack of work on the response to variations in photoperiod and light spectrum is even more surprising in polar diatoms given the extreme light environment at high latitudes. Answering this aspect of polar diatom photophysiology is arguably one of the keys to the better understanding of their ecological success in the polar regions and would help to better predict the consequences of the change in the Arctic climate on its marine primary production. This doctoral thesis, studies the photoregulation processes in the polar diatom Fragilariopsis cylindrus according to the light regime: photoperiod and light spectrum. More specifically, it focused on the photoacclimation, the carotenoid pigments synthesis and the circadian rhythmicity of photosynthetic activity. This study relies on an exclusively experimental approach, where the culture conditions (light intensity, light spectrum, day length, temperature, algal biomass) were selected to be both representative of the environmental conditions encountered by F. cylindrus during its growth period in the Arctic and to allow its optimal growth. Our work highlight the plasticity of F. cylindrus to develop efficiently under a wide range of photoperiods and to adapt quickly to a sudden change in the light environment by finely adjusting the balance between photochemistry and photoprotection to make the most of available light, despite low light intensity and temperature. Our work also confirms the crucial role of the photoprotection mechanisms in the short- and long-term acclimation, enabling diatoms to maintain their light-harvesting capacity and the integrity of their photosystems II under changing light conditions, a capacity even more crucial when metabolic rates are slowed by low temperatures. Furthermore, we have demonstrated the existence of a photoperiodic rhythmic regulation of photosynthesis, photoprotection and carotenoid synthesis in F. cylindrus. A more in-depth study of this rhythmicity revealed the existence of a circadian regulation of photochemistry and photoprotection based on the light-dark alternation and probably on the cell division cycle. We have also reported the existence of a robust and endogenous circadian rhythmicity, in the allocation of energy in the reaction centers of photosystems II. Our investigations have also revealed the importance of the light spectrum on the photoacclimative response and the growth of F. cylindrus. Especially, the key role, but not exclusive (red light is also important), of blue light in the regulation of photoprotection mechanisms and the entraining of the circadian rhythmicity. Finally, the exploration of carotenoid production capacities by F. cylindrus confirms the potential of polar diatom strains for the production of added-value pigments (Fucoxanthin, Diadinoxanthine Diatoxanthine) under low temperature and light intensity conditions. These results support the possibility of using polar diatoms as an efficient bioresource, adapted to cold and low light, particularly usable in Nordic countries for the production of added-value biomass, and for the development of a new economy based on microalgal marine resource.

L’environnement lumineux de l’Océan Arctique est unique en raison d’interactions complexes entre la lumière et le couvert de glace de mer enneigé, et les oscillations de photopériodes extrêmes. Le succès des organismes photosynthétiques arctiques suggère donc des mécanismes de régulation flexibles qui permettent la survie lors de longues périodes d’obscurités, la capture de photons dans la pénombre sous la glace et la photoprotection rapide lors d’éclairements excessifs soudains. Les diatomées sont les producteurs primaires arctiques principaux. Elles exploitent le continuum de niches lumineuses induit par la transformation saisonnière de leur habitat au cours d’une succession de formes de vie sympagiques (glace) et planctoniques (eau). Lorsque la photosynthèse sature, les diatomées dissipent l’énergie lumineuse excessive en chaleur via le quenching non-photochimique (NPQ), principalement contrôlé par l’action du cycle des pigments xanthophylles (XC). Généralement, chez les diatomées, l’opération de ces mécanismes de photoprotection est finement adaptée à leur niche lumineuse. Cependant, peu d’études se sont intéressées aux souches arctiques, malgré les profonds contrastes de niches lumineuses qu’elles surmontent (glace, sous la glace, eaux de fontes, eaux libres). Ce manque de données entrave nos capacités à anticiper l’impact de l’intensification de l’environnement lumineux de l’océan Arctique, causée par la réduction de la superficie et de l’épaisseur du couvert neige-glace, sur l’intégrité écosystémique. Nous avons étudié les réponses à la lumière de cinq espèces de diatomées arctiques représentatives des différentes phases et habitats de leur succession saisonnière. Les espèces sympagiques ont exprimé une stratégie photoadaptative survivaliste, caractérisée par une croissance saturée à faible éclairement et un fort NPQ longuement maintenu à l’obscurité. Les espèces planctoniques ont montré une plus grande flexibilité d’exploitation de la lumière et une importante photoprotection activée par des éclairements intense et l’obscurité prolongée. Ces stratégies photoadaptatives divergentes gouverneront probablement des réponses hétérogènes à l’intensification de l’environnement lumineux arctique. / Over their highly productive seasonal succession, Arctic diatoms occupy shifting habitats and contrasted light climates defined by snow/ice cover dynamics and extreme photoperiod variations. These unique light environment features suggest Arctic diatoms are well adapted to survive prolonged darkness periods, exploit minimal light in snow-covered sea-ice and overcome spontaneous excessive, and potentially harmful, light exposures. Diatoms mitigate photooxidative damages by dissipating oversaturating light energy as heat via the non-photochemical quenching (NPQ), mainly regulated by the xanthophyll cycle (XC). How heterogeneous light niches influence Arctic diatoms photoadaptative traits remains largely unknown and a crucial missing link to apprehend Arctic Ocean’s response to shrinking sea-ice and increasing illumination. To address this question, we selected five Arctic diatoms species harbouring diverse life traits and representative of distinct phases across the seasonal light niche continuum: from snow-covered dimly lit bottom sea-ice to summer stratified waters. To access how Arctic diatoms cope with a heterogeneous light environment, we studied their acclimation to two light intensities and subsequent darkness incubations, and parametrized NPQ-XC induction upon light shifts. Our results highlight the sea-ice cover as a strong selective force shaping Arctic diatoms photoadaptative strategies. Ice-related species exhibited a survivalist photoadaptive strategy with growth saturating at low irradiance and strong photoprotective capabilities sustained even in darkness. Open-water species photophysiology was more dynamic, expressing flexible light utilisation capacities and great photoprotection capacities triggered by high light and darkness. Ice-edge species showed strong adaptation to light fluctuations and dark physiology fine-tuned depending upon light history. We argue that diverging photoadaptative strategies foster Arctic diatom success in their respective seasonal niches and will likely drive uneven responses to a transforming Arctic Ocean.

Les diatomées jouent un rôle primordial dans l'écologie de la planète, car elles sont responsables du 20-40% de la productivite mondial d’oxygène. Elles figurent parmi les organismes à fort potentiel biotechnologique pour des applications biocarburant. Les diatomées sont des organismes symbiotiques issus de la fusion d'un ancêtre hétérotrophe avec une ou plusieurs micro-algues photosynthétiques. Grace à cette histoire évolutive complexe, les diatomées ont un métabolisme très flexible. Comme la plus part des microalgues elles peuvent utiliser la photosynthèse pour leur croissance, mais aussi la mixotrophie, i.e. la capacité de croître en présence de lumière et d’une source de carbone réduit. L'utilisation simultanée de la photosynthèse et de la respiration peut augmenter la productivité de la biomasse des microalgues et réduire ainsi le coût de leur exploitation industrielle. Dans cette thèse j’ai étudié le mécanisme et les conséquences du métabolisme mixotrophique chez la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum. J’ai contribué à étudier le mécanisme moléculaire à la base des interactions énérgétiques entre chloroplaste et mitochondrie. Dans ce travail, nous avons démontré que le NADPH généré dans le chloroplaste est exporté vers la mitochondrie pour générer de l’ATP requis pour la fixation du CO2 dans le chloroplaste. Cette interaction entre les deux organites cellulaires augmente la croissance de diatomées, et suggère que l'utilisation simultanée d’une source de carbone et de l'énergie lumineuse (mixotrophie) devrait augmenter la productivité de la biomasse chez les diatomées. Cette hypothèse a été testée dans la deuxième partie de ma thèse, où j’ai etudié les conséquences de la mixotrophie sur le métabolisme de Phaeodactylum. Grace à une approche métabolomique, transcriptomique, lipidomiques et de physiologie j’ai contribué à éclaircir les principales voies métaboliques (métabolisme centrale, métabolisme des lipides, métabolisme des polymères de réserve) concerné la mixotrophie. Dans la dernière partie de ce travail j’ai optimisé les conditions de culture et la composition du milieu afin d’améliorer la productivité en croissance mixotrophe chez Phaeodactylum. Ce résultat a été validé dans des photobioréacteurs à l'échelle labo pour tester le potentiel de l'exploitation industrielle de cet organisme. / Diatoms are photosynthetic organisms with a strong influence on the global biogeochemistry. Moreover, they are extremely interesting as potential feedstocks for the production of high-value molecules and biofuel. They are endosymbiotic organisms originated by the fusion of a heterotrophic ancestor with one or more photosynthetic microalgae. This has led to an extremely flexible cell metabolism. Like other microalgae, diatoms are able to grow in the presence of both light and of a reduced carbon source. The simultaneous use of photosynthesis and respiration can increase biomass productivity and reduce the energy cost of the industrial exploitation of diatoms.In this project, the mechanism and the consequences of mixotrophic metabolism have been studied in the model diatom Phaeodactylum tricornutum. In the first part, I have studied the molecular mechanism governing the interactions between chloroplast and mitochondrion. We have demonstrated that the NADPH generated in the plastid is exported to the mitochondrion to generate additional ATP, which, once back to the plastid, is used for carbon fixation. Overall, this work shows that the interaction between these two organelles increases carbon fixation and growth in diatoms. We hence suggest that the simultaneous use of carbon and light energy sources (i.e. mixotrophy) should enhance biomass productivity in diatoms. This hypothesis has been tested in the second part of my thesis, where I focused on the consequences of mixotrophy on metabolism. By combining metabolomic, transcriptomic, lipidomic and physiology approaches, I have contributed to elucidate the main pathways targeted by mixotrophy (central carbon, lipid and storage carbon metabolism). In the last part of this work, I have worked on improving the culture conditions and medium composition to boost microalgal productivity by mixotrophy. These conditions have been scaled-up in lab scale photobioreactors, revealing the industrial exploitation potential of Phaeodactylum.

La Directive Cadre Européenne sur l'eau impose d'évaluer la qualité des cours d'eau au moyen d'indicateurs chimiques et biologiques dont les diatomées font partie. Les indices basés sur la composition taxonomique et l'abondance relative des taxa de diatomées sont robustes. Cependant, de nombreux échantillons doivent être analysés chaque année alors que l'identification de ces micro-algues en microscopie optique est difficile à cause des incertitudes taxonomiques, et nécessite temps et expertise. Ainsi, des améliorations peuvent encore être apportées pour faciliter le suivi en routine de la qualité de l'eau. Les techniques de biologie moléculaire sont des outils efficaces pour identifier les microorganismes et pourraient donc être utilisées pour améliorer l'identification des diatomées. Les objectifs de cette thèse étaient donc de compléter les connaissances sur la taxonomie des diatomées d'eau douce par des méthodes moléculaires et de progresser dans le développement d'un outil moléculaire permettant l'identification des diatomées dans des échantillons naturels, en vue de son utilisation en bioindication. L'étude de la taxonomie de plusieurs groupes de diatomées a été réalisée en combinant des approches morphologiques et des approches moléculaires. Nos travaux ont montré les capacités des séquences ADN pour discriminer les taxa de diatomées et révéler leurs relations phylogénétiques. L'utilisation de séquences ADN a montré que les critères morphologiques utilisés pour identifier les diatomées ne correspondaient pas systématiquement à leurs relations phylogénétiques. L'utilisation de différents marqueurs a permis des discriminations à différents niveaux taxonomiques. Nos résultats ont également révélé l'importance de combiner des approches complémentaires, morphologiques et moléculaires, pour améliorer notre compréhension des relations entre les différents taxa de diatomées et ainsi stabiliser leur taxonomie. Les séquences ADN permettant une discrimination des taxa de diatomées, nous avons testé un outil moléculaire de séquençage haut-débit, le pyroséquençage 454, dans le but d'identifier les taxa composant les communautés de diatomées. Nous avons ainsi assemblé des bases de séquences de référence bénéficiant d'une identification taxonomique. Nous avons également participé au développement d'outils bioinformatiques nécessaires à l'analyse des données de pyroséquençage. Enfin, nous avons pu tester ces outils pour établir des inventaires taxonomiques de diatomées dans des communautés artificielles (mélanges de souches) et dans des communautés environnementales (biofilms d'eau douce). Ces études ont prouvé le potentiel du pyroséquençage 454 pour étudier les communautés de diatomées à des niveaux taxonomiques précis. La comparaison de différents marqueurs nucléiques a révélé que le marqueur rbcL était le marqueur le plus adapté à l'identification des diatomées par pyroséquençage. En effet, en prenant en compte les bases de séquences de référence, la reproductibilité et les biais de la méthode ainsi que le pouvoir résolutif du marqueur, l'utilisation du rbcL a permis la meilleure estimation de la composition en diatomées d'échantillons complexes. Des progrès devront encore être faits avant de pouvoir utiliser les outils moléculaires pour évaluer la qualité de l'eau par les diatomées. Cependant nos différentes études permettront de guider les prochaines analyses de manière à aboutir à un suivi de la qualité de l'eau basé sur des inventaires moléculaires des taxa de diatomées. / The European Water Framework Directive requires assessing the river quality using chemical and biological indicators among which are diatoms. Indices based on taxonomic composition and relative abundance of diatom taxa are robust. However, thousands of diatom samples are analyzed every year while microscopic identification is difficult due to taxonomic uncertainties, and requires time and expertise. Thus, it is still possible to improve the routine monitoring of water quality. The molecular biology techniques are accurate tools to identify microorganisms and could be used to enhance diatom identification. The objectives of this thesis were therefore to improve our knowledge on the freshwater diatom taxonomy by molecular methods and to progress in the development of a molecular tool in order to identify diatoms in natural samples, thus improving bioindication tools. The taxonomic study of several groups of diatoms was achieved by combining morphological and molecular approaches. Our results showed the capacity of DNA sequences to discriminate diatom taxa and revealed their phylogenetic relationships. The use of DNA sequences showed that the morphological criteria used to identify diatoms do not correspond systematically to their phylogenetic relationships. The use of different markers allowed discrimination at different taxonomic levels. Our results also revealed the importance of combining complementary approaches, morphological and molecular, to improve our understanding of the relationships between different diatom taxa and thus stabilize their taxonomy. As DNA sequences allowed discrimination of diatom taxa, we tested a molecular tool of high throughput sequencing, 454 pyrosequencing, in order to identify the diatom composition of communities. We assembled reference libraries of sequences linked to taxonomic identification and we contributed to the development of bioinformatic tools required to analyze data from pyrosequencing. Finally, we tested these tools to establish taxonomic inventories of diatoms in artificial communities (mixtures of strains) and environmental communities (freshwater biofilm samples). The studies showed the potential of 454 pyrosequencing to accurately analyze diatom communities. The comparison of different nucleic markers revealed that the rbcL marker was the most suitable to identify diatoms using pyrosequencing. Indeed, taking into account reference libraries, reproducibility and bias of the method, and the resolving power of marker, the use of rbcL allowed the best estimation of the diatom composition in complex samples. Improvements will be necessary to use molecular tools in order to assess water quality using diatoms. However our studies lead the way for future experiments in order to achieve a monitoring of water quality based on molecular inventories of diatom taxa.

Les lacs du Québec méridional sont soumis à des pressions humaines croissantes. Conséquemment, on observe une accélération de l’eutrophisation avec les effets indésirables y étant associés, comme un accroissement des cyanobactéries. La disponibilité du phosphore est l’élément « clé » de l’état de santé d’un lac, ce nutriment est essentiel à la croissance des cyanobactéries et des algues. Un excès de phosphore favorisera la prolifération des cyanobactéries. Ainsi, un juste équilibre est recherché pour maintenir un lac en santé et éviter son vieillissement prématuré. Bien que l’accroissement du phosphore s’inscrit dans le processus naturel de l’eutrophisation, l’enrichissement d’un lac devrait s’échelonner sur des millénaires plutôt que sur des dizaines d’années, comme observé dans certains lacs subissant l’influence des activités humaines. La gamme des conditions rencontrée au cours du processus d’eutrophisation a permis d’établir une échelle de qualité des lacs basée sur les différentes espèces de diatomées. En s’appuyant sur les préférences écologiques des diatomées, des outils ont été créés pour documenter, d’une part, les concentrations en phosphore qui prévalaient dans les lacs par le passé, et d’autre part, l’évolution de leur état trophique. Nous avons démontré que la composition des assemblages de diatomées était principalement influencée par la physico-chimie de l’eau et la morphométrie des lacs, et que les changements engendrés par l’eutrophisation sur ces derniers facteurs transformaient la composition des assemblages de diatomées. Conséquemment, la similarité entre les assemblages a permis de départager plusieurs groupes de diatomées correspondants à des états trophiques particuliers. Une typologie des lacs a été développée pour les communautés moderne et fossile de diatomées. Incidemment, la différence entre les assemblages de diatomées permet maintenant d’estimer l’ampleur des changements trophiques survenus dans un lac au cours du temps. Finalement, les outils développés et les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse ont été utilisés pour la création de « MILQ », soit une Méthode pour évaluer l'Intégrité écologique des Lacs tempérés du Québec. MILQ permettra d’établir l’état de santé actuel d’un lac et l’ampleur des changements trophiques survenus depuis l’arrivée des colons européens. / The lakes of southern Québec are under increasing human pressure. Consequently, increased eutrophication often generates an increase of cyanobacteria. Based on the ecological preferences of diatoms, diagnostic and biomonitoring tools were developed to document baseline conditions of total phosphorus in the water column of lakes and the evolution of trophic status. Our series of lakes represent a range of trophic states representing different levels of eutrophication. We have demonstrated that the composition of diatom assemblages in the study sites was mainly influenced by the water chemistry and lake morphometry, and changes of these factors caused by eutrophication transformed the community of diatoms. The similarity or discrepancy among the diatom assemblages allowed for the separation of several groups of assemblages corresponding to different trophic states. A typology of lakes has been developed for both modern and fossil diatom communities. The comparison between the two typologies was used to assess the maximum distance between assemblage groups representing oligotrophic and hypereutrophic conditions. In this way, we estimated the extent to which trophic changes occurred over time in a lake. It has also been possible to develop inference models to document historical changes in total phosphorus concentrations in lake water columns. Finally, the monitoring tools developed and the knowledge acquired as part of this thesis were used to create "MILQ”: A Method for the evaluation of the ecological Integrity of temperate Lakes in Quebec.

Le corpus de cette thèse est une contribution au projet de recherche multidisciplinaire sur le paléoclimat de la Béringie orientale de la fin du Pléistocène à nos jours. L'objectif principal était de reconstituer, le plus précisément possible, les paléotempératures de l'air en été et les conditions d'humidité de la fin du Pléistocène et de l'Holocène pour différents sites en Alaska. Des méthodes d'inférences basées sur l'étalonnage des relations entre la distribution des diatomées de plusieurs lacs et certains gradients climatiques ont été développées, perfectionnées et utilisées en vue de rencontrer notre objectif principal. Une méthode sophistiquée, permettant de sélectionner seulement les espèces de diatomées dont la distribution était fortement influencée par les variables climatiques d'intérêt, a été employée en vue de développer des modèles robustes et spécifiques. Un logiciel spécialement destiné à l'application de cette méthode a également été conçu. Les modèles développés ont été utilisés sur deux séquences sédimentaircs situées en Alaska. Les températures inférées suggèrent que la région du pont terrestre de Bering a connu des étés relativement doux et secs entre 30 000 et 15 000 ans BP (¹⁴C). Nos reconstitutions climatiques pour la période couvrant le tardi-glaciaire (15 000 à 10 000 ans BP), indiquent que les étés ont été plus chauds qu'aujourd'hui. Quoique légèrement plus humide qu'au pléniglaciaire, le tardi-glaciaire semble avoir été marqué par des conditions sèches. Bien que nos reconstitutions de températures diffèrent de certaines interprétations proposées à ce jour dans la littérature pour la fin du Pléistocène, elles concordent avec d'autres inférences quantitatives récemment proposées. Pour la région du centre de l'Alaska, nos résultats suggèrent que la transition à l'Holocène a été marquée par d'importants changements climatiques, notamment d'humidité relative. Toutefois, nos reconstitutions ne supportent aucune évidence d'une période chaude au début de l'Holocène comme l'avait suggéré d'autres études.

La distribution stratigraphique des diatomées pyritisées et leur répartition paléogéographique sont étudiées dans les sédiments du Paléocène supérieur et principalement de l’Eocène inférieur des Bassins Danois (Ølst et Hinge), de Dieppe-Hampshire (Saint-Josse et Ailly) et Belge (Knokke). Différents types de fossilisation ont été observés. D’une part, dans un stade précoce de la diagenèse, un moulage du frustule est construit par la croissance de minéraux authigéniques (pyrite et barytine). D’autre part, le frustule siliceux est remplacé épigénitiquement par de la pyrite. Ces deux processus de fossilisation, pouvant coexister, gardent les diatomées identifiables. Une méthodologie fiable et reproductible pour l’extraction de ces dernières a été mise en point. Une évolution des zones de diatomées (zonation) est mise en évidence : quatre zones (D0 à D3) d’association ou d’abondance et deux sous-zones (D3a et D3b) sont reconnues. Cette zonation est établie pour les bassins méridionaux et orientaux du Bassin de la Mer du Nord. Elle est corrélable avec les biozonations de King (1983), Fenner (1985), Mudge & Copestake (1992a) et Mitlehner (1994, 1996) valables pour la partie centrale du Bassin de la Mer du Nord. Les zones D0 à D3 autorisent les corrélations entre les unités lithostratigraphiques des différents bassins étudiés et celui de la Mer du Nord. Cela a permis, entre autres, de corréler les sédiments des faciès sparnaciens du Bassin de Dieppe-Hampshire aux formations de la Mer du Nord. Enfin, les diatomées pyritisées sont un nouvel argument pour encadrer la position de la C.I.E. (dont la base est le critère de reconnaissance de la limite Paléocène-Eocène), celle-ci étant située dans la partie inférieure de la zone D1 sous le pic d’abondance de l’espèce Coscinodiscus morsianus var. moelleri. / The stratigraphic distribution of the pyritized diatoms and their paleogeographic repartition are studied in Upper Paleocene and especially Lower Eocene from the Danish (Ølst Hinge), Dieppe-Hampshire (Saint-Josse and Ailly) and Belgian (Knokke) Basins. Different kinds of fossilisation are observed. In a first step of the diagenesis, a mould of the frustule is built thanks to the growth of authigenic minerals (pyrite and barite). The siliceous skeleton may also be completely replaced epigenetically by pyrite. These two types of fossilisation, that may coexist, keep diatoms identifiable. A reliable and reproducible methodology for the extraction of pyritized diatoms has been developed. The evolution of the diatom zones is underlined : four zones (D0 until D3) of association or abundance are recognized. This zonation is established for the southern and eastern basins of the North Sea Basin. It is interrelated with the biozonations of King (1983), Fenner (1985), Mudge & Copestake (1992a) and Mitlehner (1994, 1996) valid for the central part of the North Sea Basin. The zones D0-D3 allow correlations between the lithostratigraphic units of the various studied basins and the one of the North Sea. This enables among others to correlate the sediments of the sparnacien facies of the Dieppe-Hampshire with the formations of the North Sea. At last, the pyritized diatoms represent a new argument to locate the C.I.E. which base is the criterion for the identification of the Paleocene-Eocene boundary. The C.I.E. is located in the lower part of the D1 zone under the abundance peak of the Coscinodiscus morsianus var. moelleri species.