Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les dinoflagellés forment un groupe complexe de protistes avec une grande diversité de morphologies, physiologies, et cycles de vies qui leur confèrent une forte capacité d'adaptation à l'ensemble des milieux (marins et dulçaquicoles) et habitats (pélagiques et benthiques) aquatiques rendant difficile l¿étude de leur diversité et de leur écologie. L'objectif de cette thèse a été la recherche de patrons globaux de biodiversité et de structuration des communautés de dinoflagellés pélagiques marins à l'échelle planétaire. Un protocole d'échantillonnage morphogénétique, couvrant la totalité de leur spectre de taille et une partie importante de leurs variabilités spatio-temporelles, a été développé (Tara-Oceans). Divers outils d'acquisition automatique à haut débit des données ont été testés. La diversité, l'abondance relative et la distribution géographique des espèces du genre Neoceratium ont été évaluées en mer Méditerranée par FlowCAM. Une étude de la structuration de la biodiversité a été réalisée par metabarcoding de l¿ADNr 18S (fragment V9). La construction d'une base de séquences ADNr de référence (DinR2) a permis l¿assignation taxonomique des metabarcodes environnementaux. L¿approche par metabarcode révèle une diversité remarquable et insoupçonnée des pico-dinoflagellés (<5µm) et que, indépendamment de l'écosystème étudié et de la période d'échantillonnage, l¿abondance des différents ordres dépend essentiellement de la taille (pico-, nano-, micro-, et meso-plancton). La structuration des communautés de dinoflagellés de différentes fractions de tailles de la zone photique a été confrontée à certains facteurs environnementaux ouvrant des pistes de recherche prometteuses / Dinoflagellates form a complex group of protists with a variety of morphologies, physiologies, and life cycles that give them a strong adaptation to all aquatic environments (marine and freshwater) and habitats (pelagic and benthic) making difficult to study their diversity and ecology. The objective of this thesis was the search for global biodiversity patterns and community structure of marine pelagic dinoflagellates across the world?s oceans. A morphogenetic sampling protocol, covering the entire spectrum of their size and an important part of their spatio-temporal variability, was developed (Tara-Oceans). Various tools for an automatic acquisition broadband data were tested. Diversity, relative abundance and geographical distribution of the genus Neoceratium were evaluated by FlowCAM in Mediterranean Sea. A study of the structure of biodiversity was conducted by metabarcoding with 18S rDNA (V9 fragment). Building a base of rDNA reference sequences (DinR2) allowed the taxonomic assignment of environmental metabarcodes. The metabarcode approach reveals a remarkable and unexpected diversity of pico-dinoflagellates (<5?m) and, regardless of the studied ecosystem and the sampling period, that abundance of different levels mainly depends to the size fractions (pico-, nano-, micro- and meso- plankton). Structuring of dinoflagellates communities in different size fractions of the photic zone was facing to some environmental factors and opens promising avenues for research

Dans le monde entier les introductions d'espèces dans de nouvelles régions constituent une préoccupation écologique croissante ; ces introductions peuvent conduire à des modifications drastiques des écosystèmes, entre autres du fait de la compétition avec des espèces indigènes et également par la modification des réseaux de flux d'énergie dans les écosystèmes. La moule verte Perna viridis est une espèce récemment introduite dans les eaux côtières américaines et qui s'est rapidement disséminée le long des côtes du Sud-Est des États-Unis. Cependant, il n'existe pour le moment que très peu d'informations concernant la structure des populations, et leur dynamique en réponse à la variabilité environnementale locale. Les efflorescences de marées rouges formées par le dinoflagellé toxique Karenia brevis sont fréquentes le long des côtes de Floride bordant le Golfe du Mexique, et la tolérance de P. viridis à l'égard de ces événements et des brévitoxines (PbTx) associées n'est pas connue. En outre, comme P. viridis est une espèce invasive, la potentielle concurrence (ressources trophiques, espace, …) avec des bivalves indigènes comme l'huître Crassostrea virginica, est une préoccupation majeure dans les systèmes côtiers de Floride. Cette étude vise à caractériser la dynamique des populations établies de P. viridis populations établies et leur réponse aux efflorescences naturelles de K. brevis. Les effets des efflorescences à K. brevis ont été évalués à partir des résultats d'un suivi de la croissance, de la mortalité, du recrutement, de la gamétogenèse et de la composition biochimique des tissus (protéines, glycogène et lipides) durant trois ans. En outre, les concentrations en PbTx dans les tissus ont été analysées afin de déterminer l'absorption, l'accumulation et des taux d'élimination de ces toxines. Par ailleurs, les données recueillies sur le terrain et des informations de la littérature ont été utilisées pour élaborer un modèle énergétique individuel DEB pour modéliser la croissance et la reproduction de P. viridis. Avant l'apparition de la première efflorescence à K. brevis, P. viridis présentait des taux de croissance rapide (6-11 mm mois-1) et un taux de survie élevé (mortalité <1%). Au cours des efflorescences à K. brevis, le taux de croissance a chuté de façon significative et une bioaccumulation de PbTx dans les tissus mous a été observée. Les concentrations élevées en PbTx dans les tissus ont persisté longtemps après la dissipation de l'efflorescence et les taux de mortalité élevés se sont maintenus, ce qui a réduit fortement l'abondance de P. viridis. À la fin de l'efflorescence, la concentration en PbTx dans les moules était presque le double de celle relevée chez l'huître indigène Crassostrea virginica pour des individus prélevés à la même période ; chez P. viridis, la concentration en PbTx est restée supérieure à la limite réglementaire pour la consommation humaine pendant 16 semaine, alors qu'elle est revenue en dessous de ce seuil en 2 ½ semaines chez C. virginica.La composition biochimique des tissus et la reproduction n'ont pas parues affectées par ces évènements ; P. viridis réalise sa gamétogénèse durant toute l'année et a mis en place une stratégie de ponte intermittente partielle ; elle présentait durant toute l'année une grande stabilité de la concentration en composés de réserve. L'absence de cycle saisonnier marqué de la composition biochimique suggère que la ressource trophique est suffisante pour soutenir la gamétogenèse tout au long de l'année. Cependant, la première année du suivi, deux évènements majeurs de ponte et de recrutement ont été observés au printemps et à l'automne. Au cours de la deuxième année de suivi, l'analyse histologique montre que le même patron de ponte massive est observé au printemps ; cependant, à cette période, les efflorescences toxiques ont persisté et le recrutement a été inhibé, ce qui suggère que la fécondation et / ou le développement et la survie des larves […] / Worldwide, introductions of exotic species to new regions is of rising concern which can lead to catastrophic ecosystem alterations through competition with native species and disruption in energy flow.Perna viridis is a recently introduced bivalve species to US coastal waters and has vigorously spread throughout the southeastern US. However, little information regarding population structure and response to local environmental factors has been reported. Red tide blooms formed by the toxic dinoflagellate Karenia brevis are frequent along the Gulf coast of Florida and as a recently introduced species, it is unclear what tolerance P. viridis has toward these events and associated brevetoxins (PbTx). Further, as an invasive species ecological concerns have risen regarding potential for spread and competition with native bivalve species, particularly the eastern oyster Crassostrea virginica.This study aimed to characterize the population dynamics of established P. viridis populations and their response to naturally occurring K. brevis blooms. This was completed through monitoring of growth, mortality, juvenile recruitment, gametogenesis and biochemical composition (protein, glycogen and lipid) throughout a three year monitoring period to evaluate the effects of K. brevis blooms. Additionally, tissue PbTx concentrations were analyzed to determine uptake, accumulation and elimination rates. Data collected from the field and information reported in the literature were used to create a functional DEB model to predict individual growth and reproduction of P. viridis under environmentally realistic conditions.Prior to onset of the first K. brevis bloom event, P. viridis showed rapid growth rates (6 – 11 mm month-1) and high survival (mortality <1%). However, during K. brevis blooms growth rate dropped significantly and bioaccumulation of PbTx in the soft tissue was observed. High tissue PbTx concentrations persisted long after bloom dissipation and high rates of mortality ensued, severely reducing population densities. PbTx in mussels nearly doubled that of oysters sampled during the same time and remained above the regulatory limit for significantly longer, 2 ½ weeks and 16 weeks, respectively.Biochemical composition and reproduction appeared unaffected, exhibiting year round gametogenesis with a partial, intermittent spawning strategy and stability in reserves. A lack of significant seasonal cycles in biochemical composition suggests sufficient food and energy availability to support the observed year round gametogenesis. While continuous spawning capabilities were evident two major peaks in spawning and recruitment were observed (spring and fall), suggesting reduced fertilization and / or larval development and survival due to the presence of K. brevis and associated ichthyotoxins and hemolysins.These results indicate that while high tissue PbTx concentrations may lead to reduced growth in P. viridis, gametogenesis is not inhibited, allowing the population to survive K. brevis bloom exposure and reproduce, even while individual mortality was high. Prolonged bioconcentration of PbTx may lead to increased threat of post bloom trophic transfer, resulting in negative impacts on other important fisheries and higher food web implications. While it cannot be conclusively determined that the cause of reduced growth, survival and recruitment is due to red tide events, the parallels observed suggest that K. brevis is an important factor in the drastic changes in population structure.Through the work presented here, population dynamics of locally established P. viridis populations were characterized through monthly monitoring and the development of a DEB model to accurately predict the growth and reproduction under dynamic environmental conditions. This work aims to synthesize our knowledge on the individual bioenergetics of P. viridis and to aid in understand population dynamics and potential for competition with local C. virginica [...]

Les dinoflagellés forment un groupe complexe de protistes avec une grande diversité de morphologies, physiologies, et cycles de vies qui leur confèrent une forte capacité d'adaptation à l'ensemble des milieux (marins et dulçaquicoles) et habitats (pélagiques et benthiques) aquatiques rendant difficile l¿étude de leur diversité et de leur écologie. L'objectif de cette thèse a été la recherche de patrons globaux de biodiversité et de structuration des communautés de dinoflagellés pélagiques marins à l'échelle planétaire. Un protocole d'échantillonnage morphogénétique, couvrant la totalité de leur spectre de taille et une partie importante de leurs variabilités spatio-temporelles, a été développé (Tara-Oceans). Divers outils d'acquisition automatique à haut débit des données ont été testés. La diversité, l'abondance relative et la distribution géographique des espèces du genre Neoceratium ont été évaluées en mer Méditerranée par FlowCAM. Une étude de la structuration de la biodiversité a été réalisée par metabarcoding de l¿ADNr 18S (fragment V9). La construction d'une base de séquences ADNr de référence (DinR2) a permis l¿assignation taxonomique des metabarcodes environnementaux. L¿approche par metabarcode révèle une diversité remarquable et insoupçonnée des pico-dinoflagellés (<5µm) et que, indépendamment de l'écosystème étudié et de la période d'échantillonnage, l¿abondance des différents ordres dépend essentiellement de la taille (pico-, nano-, micro-, et meso-plancton). La structuration des communautés de dinoflagellés de différentes fractions de tailles de la zone photique a été confrontée à certains facteurs environnementaux ouvrant des pistes de recherche prometteuses

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires qui composent une grande partie du phytoplancton et qui jouent un rôle important au niveau de la photosynthèse, de la production primaire et de la conservation des écosystèmes marins. Les dinoflagellés se distinguent des autres eucaryotes par leur biologie et leur organisation nucléaire unique. Lors de la mitose, leur membrane nucléaire demeure intacte et la ségrégation des chromosomes se fait à partir de fuseaux mitotiques formés dans le cytoplasme et qui traversent le noyau au travers de canaux spécialisés Aussi, leurs chromosomes sont condensés en permanence et le processus utilisé pour y arriver est encore très mal compris puisque les dinoflagellés ne possèdent aucunes histones détectables. Lingulodinium polyedrum est un dinoflagellé photosynthétique marin utilisé comme organisme modèle en ce qui concerne l’étude des rythmes circadiens (bioluminescence, migration verticale, mitose et photosynthèse). La découverte et l’étude des éléments régulateurs du cycle cellulaire peuvent nous amener à comprendre le mécanisme, l’influence et la portée du contrôle circadien sur le cycle cellulaire. De plus, l’étude du cycle cellulaire pourrait permettre de révéler des indices quant aux caractéristiques singulières des dinoflagellés qui sont pour le moment énigmatiques. Par le passé, une étude chez Lingulodinium polyedrum a permis d’identifier la cycline impliquée dans la mitose, LpCyc1, le premier régulateur du cycle cellulaire a être découvert chez les dinoflagellés. La présente étude s’attarde sur la caractérisation de la LpCyc1, soit son expression, sa localisation, sa phosphorylation. Ces trois éléments concordent de façon à synchroniser l’activité de la LpCyc1 (et ainsi la mitose) de façon circadienne. Cette étude présente aussi la création et le développement d’un outil majeur pour l’étude future de Lingulodinium polyedrum, le transcriptome des ARNm à partir d’un iv séquençage Illumina. C’est d’ailleurs avec cet outil que nous avons découvert la CDK responsable du contrôle de la phase M, LpCdk1. Cette CDK possède tous les domaines d’une CDK classique, un site de liaison des substrats, un site de liaison à l’ATP, une boucle activatrice, et une interface de liaison avec la cycline. Le transcriptome de Lingulodinium polyedrum a aussi permis de recenser toutes les protéines conservées normalement retrouvées dans le contrôle du cycle cellulaire, qui nous a permis de faire une ébauche préliminaire du cycle cellulaire de L. polyedrum. Cette analyse est une première chez Lingulodinium polyedrum et peut s’étendre pour l’étude d’une multitude d’autres processus métaboliques. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes that constitute a large part of the phytoplankton. They are major contributors to the global photosynthesis and primary production and they possess an important role in conservation of marine ecosystems. Dinoflagellates are distincted from other eukaryotes by their unique biology and nuclear organization. During mitosis, their nuclear envelope stays intact and chromosome segregation is done by a mitotic spindle that passed through the nucleus inside several specialized cytoplasmic channels. In addition, the chromosomes are permanently condensed and are not thought to have histones. Lingulodinium polyedrum is a marine photosynthetic dinoflagellate widely used to study the control mechanisms of circadian rhythms, because many aspects of its physiology (bioluminescence, mitosis, photosynthesis and vertical migration) are circadian. The discovery of cell cycle regulators is essential for understanding the mechanism and the circadian control over the cell cycle. A previously study identified the M-phase cyclin, LpCyc1, the first dinoflagellate cell cycle regulator to be discovered. The present study presents the characterization of the LpCyc1, with respect to expression levels and phosphorylation patterns. These elements act together to ensure the synchronization of the LpCyc1 activity (and the mitosis) within the day. This study also presents the creation and the development of the transcriptome, a major tool for the upcoming studies of Lingulodinium polyedrum. With this tool, we identified the Lingulodinium polyedrum M-CDK, LpCdk1. The LpCdk1 has all the domains of a classic M-CDK, a substrate binding site, an ATP binding site, an activation loop and a cyclin binding interface. vi With the Lingulodinium polyedrum transcriptome, we also made a census of all the conserved proteins normally found in the cell cycle control of yeast. The identification of these proteins had provided a rough shape of L. polyedrum cell cycle. This kind of analysis is the first to be made with Lingulodinium polyedrum and could be expanded to other metabolic processes.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires qui composent une grande partie du phytoplancton et qui jouent un rôle important au niveau de la photosynthèse, de la production primaire et de la conservation des écosystèmes marins. Les dinoflagellés se distinguent des autres eucaryotes par leur biologie et leur organisation nucléaire unique. Lors de la mitose, leur membrane nucléaire demeure intacte et la ségrégation des chromosomes se fait à partir de fuseaux mitotiques formés dans le cytoplasme et qui traversent le noyau au travers de canaux spécialisés Aussi, leurs chromosomes sont condensés en permanence et le processus utilisé pour y arriver est encore très mal compris puisque les dinoflagellés ne possèdent aucunes histones détectables. Lingulodinium polyedrum est un dinoflagellé photosynthétique marin utilisé comme organisme modèle en ce qui concerne l’étude des rythmes circadiens (bioluminescence, migration verticale, mitose et photosynthèse). La découverte et l’étude des éléments régulateurs du cycle cellulaire peuvent nous amener à comprendre le mécanisme, l’influence et la portée du contrôle circadien sur le cycle cellulaire. De plus, l’étude du cycle cellulaire pourrait permettre de révéler des indices quant aux caractéristiques singulières des dinoflagellés qui sont pour le moment énigmatiques. Par le passé, une étude chez Lingulodinium polyedrum a permis d’identifier la cycline impliquée dans la mitose, LpCyc1, le premier régulateur du cycle cellulaire a être découvert chez les dinoflagellés. La présente étude s’attarde sur la caractérisation de la LpCyc1, soit son expression, sa localisation, sa phosphorylation. Ces trois éléments concordent de façon à synchroniser l’activité de la LpCyc1 (et ainsi la mitose) de façon circadienne. Cette étude présente aussi la création et le développement d’un outil majeur pour l’étude future de Lingulodinium polyedrum, le transcriptome des ARNm à partir d’un iv séquençage Illumina. C’est d’ailleurs avec cet outil que nous avons découvert la CDK responsable du contrôle de la phase M, LpCdk1. Cette CDK possède tous les domaines d’une CDK classique, un site de liaison des substrats, un site de liaison à l’ATP, une boucle activatrice, et une interface de liaison avec la cycline. Le transcriptome de Lingulodinium polyedrum a aussi permis de recenser toutes les protéines conservées normalement retrouvées dans le contrôle du cycle cellulaire, qui nous a permis de faire une ébauche préliminaire du cycle cellulaire de L. polyedrum. Cette analyse est une première chez Lingulodinium polyedrum et peut s’étendre pour l’étude d’une multitude d’autres processus métaboliques. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes that constitute a large part of the phytoplankton. They are major contributors to the global photosynthesis and primary production and they possess an important role in conservation of marine ecosystems. Dinoflagellates are distincted from other eukaryotes by their unique biology and nuclear organization. During mitosis, their nuclear envelope stays intact and chromosome segregation is done by a mitotic spindle that passed through the nucleus inside several specialized cytoplasmic channels. In addition, the chromosomes are permanently condensed and are not thought to have histones. Lingulodinium polyedrum is a marine photosynthetic dinoflagellate widely used to study the control mechanisms of circadian rhythms, because many aspects of its physiology (bioluminescence, mitosis, photosynthesis and vertical migration) are circadian. The discovery of cell cycle regulators is essential for understanding the mechanism and the circadian control over the cell cycle. A previously study identified the M-phase cyclin, LpCyc1, the first dinoflagellate cell cycle regulator to be discovered. The present study presents the characterization of the LpCyc1, with respect to expression levels and phosphorylation patterns. These elements act together to ensure the synchronization of the LpCyc1 activity (and the mitosis) within the day. This study also presents the creation and the development of the transcriptome, a major tool for the upcoming studies of Lingulodinium polyedrum. With this tool, we identified the Lingulodinium polyedrum M-CDK, LpCdk1. The LpCdk1 has all the domains of a classic M-CDK, a substrate binding site, an ATP binding site, an activation loop and a cyclin binding interface. vi With the Lingulodinium polyedrum transcriptome, we also made a census of all the conserved proteins normally found in the cell cycle control of yeast. The identification of these proteins had provided a rough shape of L. polyedrum cell cycle. This kind of analysis is the first to be made with Lingulodinium polyedrum and could be expanded to other metabolic processes.

Les urgences écologiques actuelles, résultant des dérives de l'industrialisation et de la mondialisation, mènent la recherche fondamentale à se préoccuper hâtivement de la biologie de certains organismes comme les dinoflagellés. Ces organismes sont à la base de la chaîne alimentaire, et certaines espèces sont impliquées dans la formation des récifs coralliens. De plus, la prolifération incontrôlée de certaines espèces de dinoflagellés engendrée par l'eutrophisation industrielle est responsable des marées rouges qui menacent d'une part la flore et la faune aquatiques. Certaines des toxines produites par ces efflorescences algales ont un effet sur la santé publique, car elles peuvent rendre dangereuse la consommation alimentaire de poissons ou de fruits de mer contaminés. Nous avons examiné le comportement de l’espèce Lingulodinium polyedra à travers des cycles diurnes. Dans un premier projet, le protéome dans des extraits d'algues récoltés sur un cycle de 24 heures en conditions de 12 heures de jour suivies de 12 heures de nuit (un cycle LD) a été examiné. Nous avons identifié treize protéines clés qui ont montré des variations quantitatives synchronisées avec les temps de réalisation des rythmes biologiques les impliquant. Deux protéines déjà connues de varier faisait partie de ce groupe, tandis que les autres protéines sont impliquées dans des processus rythmiques nouveaux. Nous avançons l’hypothèse qu’une augmentation quantitative des protéines clés permettrait à l'accomplissement des différents processus cellulaires à différents moments de la journée. Dans un second projet, nous avons examiné la vitesse de synthèse des protéines qui pourrait expliquer ces variations quantitatives protéiques. En appliquant la technique du profilage ribosomal ( « ribosome profiling ») sur des échantillons algaux collectés d’abord à trois temps, puis ensuite sur tout le cycle LD, nous avons confirmé des variations de vitesse de synthèse des protéines identifiées dans notre étude protéomique et des protéines dont la vitesse de synthèse a déjà été mesurée par l’incorporation de méthionine radioactive in vivo. De plus, nous avons identifié plusieurs milliers d’autres séquences dont la vitesse de synthèse varie. Une classification des séquences dans les catégories GO nous a permis d’identifier un rythme diurne dans la synthèse des acides aminés qui pourrait aider à comprendre le métabolisme du nitrate. Nous proposons que des variations de vitesse de synthèse entraînent des augmentations quantitatives des protéines aux niveaux inférieurs à ce que l’on a pu détecter par la spectroscopie de masse. La variation dans les niveaux de protéines clés pourrait aider l'accomplissement des rythmes diurnes chez le dinoflagellé Lingulodinium. Ces avancées dans la compréhension de la régulation des rythmes biologiques du dinoflagellé Lingulodinium d'une part permettront de mieux penser la recherche concernant la lutte écologique contre les marées rouges et d'autre part ouvriront de nouvelles perspectives dans l'entendement de la régulation des rythmes biologiques des autres organismes y compris ceux de l'Homme dont les troubles impliquent de nombreuses maladies. / Industrialization and globalization has led to industrial eutrophication in many regions of the oceans resulting in different types of ecological emergencies. One of these is the uncontrolled proliferation of dinoflagellates which are responsible for the harmful algal blooms called “red tides”. Certain species release toxins which can harm aquatic flora and fauna and, through consumption of contaminated fish or seafood, can affect public health. Dinoflagellates are also at the base of the food chain in the marine environment, and certain species form symbioses with anthozoans thus allowing growth of coral reefs. There is thus a strong need for fundamental research on dinoflagellate biology. Using the dinoflagellate Lingulodinium polyedra as a model, we have examined how cells adapt to the daily changes in light and dark. In particular we have examined changes in protein amounts as well as changes in protein synthesis rates to gain insight into how cells differ during the day and night. In a first project, the daily proteome was examined by mass spectrometry using algae extracts harvested over a 24 hour cycle in conditions of 12 hours of day followed by 12 hours of night. Key proteins involved in biological rhythms have shown quantitative variations synchronized with the times of the biological rhythms involving them, ie a quantitative increase in key proteins is necessary for the accomplishment of the various cellular processes. Thirteen proteins were identified, of which two were previously documented to change in amount over the daily cycle. In a second project we addressed the origin of these quantitative protein variations. By applying the technique of ribosome profiling on algal samples, first collected in triplicate at three times and then at two hour intervals throughout the 24 h cycle, we have identified iv variations in the synthesis rate of thousands of proteins. These include the proteins found in the proteomic analysis as well as four proteins whose synthesis rate variations had already been observed using in vivo metabolic labeling. Interestingly, classification of the regulated proteins into GO categories also revealed a late night increase in the synthesis of many amino acid biosynthetic enzymes, potentially linking amino acid synthesis associated with the daily metabolism of nitrate. These advances in our understanding of the regulation of the daily rhythms of the dinoflagellate Lingulodinium will provide new tools in the ecological fight against red tides. They may also open new perspectives in understanding the daily rhythms of other organisms.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Alexandrium minutum est un dinoflagellé qui est à l'origine des efflorescences toxiques observées de façon récurrente le long des côtes Bretonnes. Cette microalgue produit des toxines paralysantes qui sont parmi les plus puissantes au monde. Originaire de Méditerranée, cette espèce a progressivement envahi les côtes européennes atlantiques. Cette algue invasive a été observée en Bretagne dans les années 80, puis a atteint successivement l'Angleterre, l'Irlande et le Danemark. Aujourd'hui, elle semble durablement installée dans de nombreux estuaires bretons, produisant de façon récurrente des efflorescences toxiques, bien que dans certains sites les proliférations semblent être limitées par la présence de parasite. Dans cette étude nous nous sommes interrogés sur les processus pouvant influencer la diversité génétique des populations d'A. minutum et les répercussions de ces capacités d'adaptation vis à vis des facteurs biotiques et abiotiques. Nous avons en particulier, réalisé des expériences de croisement en laboratoire afin de mieux comprendre sa reproduction et de déterminer son système de reproduction. Puis nous avons utilisé des outils moléculaires afin de déterminer quelle était l'importance de la reproduction sexuée dans les populations naturelles en Bretagne (reproduction sexuée versus asexuée). Enfin, nous avons étudié la variabilité génétique des efflorescences annuelles pendant deux années consécutives dans les estuaires de la Rance et de la Penzé. Les expériences de croisement in vitro ont permis de mettre en évidence que la reconnaissance gamétique était un processus complexe où les fusions ne sont pas régit par un système bipolaire comme c'est généralement le cas chez de nombreux organismes. D'autre part nos résultats suggèrent que les kystes temporaires auraient une capacité de survie de plusieurs mois au froid et à l'obscurité dans les conditions de laboratoire. Grâce à l'utilisation des marqueurs microsatellites, nous avons montré que les efflorescences d'A. minutum présentaient une diversité génétique et génotypique très élevée et que les génotypes étaient tous différents les uns des autres au sein de ces efflorescences. Ces résultats suggèrent que la reproduction clonale n'est pas dominante au cours des évènements d'efflorescence. L'analyse génétique spatio-temporelle (entre Penzé et Rance, entre années et entre période d'efflorescence) montre des différenciations significatives aux différentes échelles. La différence spatiale indique un flux de gènes restreint entre les deux sites et cela principalement au cours des blooms. En effet, les efflorescences qui se développent généralement pendant les marées de morte-eau restent relativement isolées. Ces résultats ont été confirmés par l'étude de la structure génétique des populations A. minutum le long des côtes Bretonnes qui révèle des flux de gènes limités entre populations. Ces résultats suggèrent que la migration est relativement restreinte entre estuaires. De plus, la différenciation génétique entre estuaires pourrait également étroitement être liée aux traits d'histoire de vie de cette espèce. En effet, le développement rapide des efflorescences dans un nouveau site colonisé, suivi par la formation d'un grand nombre de kystes de résistance qui s'accumulent au sein des estuaires pourrait constituer un système particulier présentant une forte inertie au changement (tampon génétique) et limitant, par compétition, l'arrivée de nouveaux migrants (hypothèse de monopolisation des sites (De Meester et al. 2002). Enfin, nos résultats suggèrent que les efflorescences toxiques observées en Rance, en Baie de Morlaix et en Rade de Brest correspondraient à des évènements d'introduction différents.